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重磅!两项独立研究分别成功解析新冠病毒受体ACE2空间结构及S蛋白结构 | BioRxiv

新冠病毒(2019-nCoV)是β冠状病毒属的一位新成员,与几种蝙蝠冠状病毒以及严重的急性呼吸综合征冠状病毒密切相关。新冠病毒与SARS病毒一样,也是通过识别ACE2受体蛋白进入人体细胞。因此,ACE2是新冠病毒侵入人体的关键。此外,新冠病毒包含多个蛋白,其中刺突蛋白(S蛋白)研究最多,同时也是目前临床在研疫苗(尤其是多肽和mRNA疫苗)、治疗性抗体、小分子和诊断开发的关键靶点。

近日,发表在BioRxiv的两项独立研究分别报道了新冠病毒受体ACE2的全长结构,以及S蛋白的首个冷冻电镜结构。为揭示冠状病毒识别和感染的分子基础提供了重要线索,同时也为揭示新冠病毒传播强度,促进新冠病毒的诊断、治疗和疫苗开发等提供了重要支持。

解析新冠病毒受体ACE2全长结构

2020年2月19日,西湖大学周强实验室在BioRxiv发布了新冠病毒的最新研究成果。研究团队利用冷冻电镜技术成功解析了新冠病毒受体ACE2的全长结构,总分辨率为2.9Å。这是世界上首次解析出ACE2的全长结构。研究发现,ACE2以二聚体形式存在,同时具有开放和关闭两种构象变化,可同时与冠状病毒的两个S蛋白三聚体结合。文章题为“Structure of dimeric full-length human ACE2 in complex with B0AT1”。

获取ACE2的全长蛋白及其与S蛋白的复合物结构,可比较新冠病毒与SARS病毒的ACE2结合,有助于筛选、开发靶向治疗药物。但ACE2很难在体外获得稳定的结构,因此,研究团队将目光投向了B0AT1。B0AT1是一种中性氨基酸转运蛋白,其在肠道细胞中的表达需要ACE2,并极有可能与ACE2形成稳定的复合物。

图:ACE2-B0AT1复合物结构图,来源BioRxiv

研究人员通过共表达方法获得了优质稳定的ACE2-B0AT1复合物,并利用冷冻电镜平台成功解析了其三维结构,胞外结构域分辨率为2.7 Å,总分辨率达2.9 Å。分析发现,ACE2以二聚体形式存在,同时具有开放和关闭两种构象变化,并可以同时结合两个S蛋白三聚体,为进一步解析新冠病毒全长ACE2与S蛋白复合物的三维结构奠定了基础,有助于分析研究冠状病毒识别和感染的分子基础。

解析新冠病毒S蛋白三聚体结构

另一项新冠病毒研究成果于2月15日发布在BioRxiv上,该研究解析了新冠病毒S蛋白的首个冷冻电镜结构。来自美国国立卫生研究院(NIH)和德州大学奥斯汀分校(UTAustin)的研究人员合作,通过冷冻电镜技术解析了新冠病毒S蛋白三聚体结构,分辨率为3.5Å,并发现新冠病毒S蛋白与受体ACE2的结合能力是SARS病毒的10~20倍!文章题为Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation”。

研究团队利用公开的新冠病毒基因组序列,合成并纯化了新冠病毒S蛋白的膜外部分。然后利用冷冻电镜技术,收集处理了3207张显微蛋白图像,并重建了S蛋白三聚体结构,分辨率为3.5 Å。新冠病毒S蛋白三聚体的主要状态为三个旋转的受体结构域(RBD),通过构象改变结合ACE2受体。

图:新冠病毒S蛋白的三聚体结构,来源BioRxiv

通过与SARS病毒的蛋白结构进行比较,研究发现,新冠病毒的S蛋白与SARS病毒的在结构上存在差异,但整体相似度较高。从三聚体结构来看,新冠病毒的S蛋白更容易与细胞表面的ACE2蛋白结合,亲和力是SARS病毒S蛋白与ACE2之间亲和力的10~20倍。

同时,由于新冠病毒与SARS病毒的刺突蛋白高度相似,靶向SARS病毒突刺蛋白的抗体或有可能作用于新冠病毒。因此,研究人员检测了3种已发表的SARS病毒S蛋白特异性单克隆抗体(S230、m396和80R)。发现这些抗体与新冠病毒S蛋白没有明显的结合,表明两种病毒受体结合结构域之间的抗体交叉反应可能受到限制。

该研究成果表明,新冠病毒S蛋白与ACE2受体有着超强的亲和力,或有助于揭示新冠病毒在人与人之间的传播强度,并为促进新冠病毒的诊断、治疗和疫苗开发等提供了重要支持。同时,由于该研究尚未经过同行评审,相关研究结论还需要更多实验验证。

参考资料:

1. Structure of dimeric full-length human ACE2 in complex with B0AT1, DOI: https://doi.org/10.1101/2020.02.17.951848.

2.Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation, DOI: 10.1101/2020.02.11.944462

3.西湖大学官网:西湖大学成功解析新冠病毒细胞受体的空间结构

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本文由 测序中国 作者:陈初夏 发表,转载请注明来源!

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