12月4日，國際學術期刊Science Advances在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)叢堯團隊與中國科學院上海巴斯德研究所黃忠團隊的合作研究論文“Conformational dynamics of SARS-CoV-2 trimeric spike glycoprotein in complex with receptor ACE2 revealed by cryo-EM”。該研究應用冷凍電鏡結合生化分析，解析了新冠病毒刺突蛋白三聚體結合受體ACE2的高分辨率冷凍電鏡結構，揭示了ACE2誘導刺突蛋白動態(tài)構象轉變的分子機制。
新冠病毒(SARS-CoV-2)引起的新冠病毒肺炎于2020年在全球大流行，引發(fā)公共健康危機。新冠病毒表面的刺突蛋白(S)是一種膜融合機器，S蛋白三聚體與受體人ACE2結合，介導病毒進入宿主細胞，是感染過程中體液免疫反應的主要目標。但新冠病毒侵染細胞的分子機制亟待闡明。S蛋白由受體結合亞基S1和膜融合亞基S2組成。 S1包含受體結合結構域(RBD)，S2以融合肽(FP)開始，該肽插入宿主細胞膜中，促進宿主細胞膜與病毒膜的融合。
S蛋白三聚體作為一個完整的變構機器如何對受體ACE2的結合作出反應，以及該事件如何觸發(fā)S三聚體從關閉的融合前態(tài)(prefusion state)向融合后態(tài)(postfusion state)的構象轉變有待闡明。此外，據報道新冠病毒的S蛋白D614G突變株可增強該病毒的感染性，但其潛在的結構基礎仍未完全了解。
為全面了解完整S蛋白三聚體對受體ACE2結合的變構反應，叢堯團隊解析了分辨率為2.7埃的新冠病毒S三聚體緊密閉合(tightly closed)狀態(tài)及3.8埃分辨率的S三聚體結合受體ACE2的冷凍電鏡結構(圖A、B)。S三聚體緊密閉合狀態(tài)下融合肽(FP)穩(wěn)定結合，且S蛋白的受體結合域(RBD)包埋在結構內部，這種構象掩蔽機制可能有助于新冠病毒逃避宿主免疫系統(tǒng)的識別。伴隨ACE2與S蛋白一個向上的RBD結合，誘發(fā)S蛋白構象由原來緊密閉合的融合前態(tài)向有利于融合的開放狀態(tài)的轉變;結合的ACE2-RBD在S三聚體中表現出連續(xù)的擺動，激活相連的S1亞基有利于其整體脫離，使S三聚體向融合后狀態(tài)轉化(圖D)。新冠病毒S蛋白在ACE2誘發(fā)下的構象轉化比SARS病毒的S蛋白更為敏感，這可能是新冠病毒具有更強感染力的原因。黃忠團隊結合結構信息及生化分析，還發(fā)現了新冠病毒RBD上的T470-T478 loop及Y505殘基是新冠病毒特異性識別ACE2受體的關鍵區(qū)域。此外，該研究為SARS-CoV-2的S蛋白D614G突變株誘導的感染力增強提供了結構基礎(圖C)，并描繪了FP在穩(wěn)定S三聚體中的特定作用以及FP被激活的機制。
該研究揭示了新冠病毒基于動力學的免疫逃逸機制及其S蛋白三聚體的受體識別機制，闡明了ACE2誘導的S三聚體構象從融合前基態(tài)向融合后狀態(tài)逐漸轉變的動態(tài)分子機制，為深入理解新冠病毒侵染細胞的機制提供了結構基礎，并為設計和優(yōu)化旨在阻斷受體結合的疫苗和治療藥物提供重要信息。
叢堯組博士研究生徐聰、劉彩璇、韓文玉，助理研究員王艷興，上海巴斯德所副研究員張超博士為本文共同第一作者。叢堯研究員和黃忠研究員為本文共同通訊作者。該研究得到分子細胞卓越中心李典范研究員、周金秋研究員和劉小龍研究員的大力支持。該研究獲國家自然科學基金委、科技部、中科院和上海市科委等的經費支持，并得到國家蛋白質科學研究(上海)設施的冷凍電鏡系統(tǒng)、數據庫與計算分析系統(tǒng)及蛋白質表達純化系統(tǒng)的大力支持。
(A) 新冠病毒刺突蛋白三聚體緊密閉合構象的2.7埃分辨率的冷凍電鏡結構。(B)刺突蛋白結合受體ACE2形成復合體的3.8埃分辨率的冷凍電鏡結構。ACE2紫紅色表示。(C)刺突蛋白SD2結構域的D614與相鄰亞基的FP(深粉色)之間形成氫鍵作用網絡的放大圖。(D)ACE2誘導刺突蛋白三聚體從prefusion狀態(tài)向postfusion狀態(tài)的動態(tài)轉變分子機制示意圖。
