图1 电镜下新冠病毒的结构

撰文 | 周盼盼

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目前，新冠病毒已导致全国超过7万人感染新冠肺炎。有关新冠病毒的结构解析一直备受关注，2月15日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Jason  McLellan团队，在预印版平台bioRxiv上发表研究论文：Cryo-EM Structure of the 2019-nCoVSpike in the Prefusion Conformation，揭示新冠病毒侵染机体的关键组分——S糖蛋白的冷冻电镜结构。

本文邀请清华大学博士周盼盼对新冠病毒结构进行解读，相关问题如下。

问：与其他冠状病毒相比，这个病毒的S蛋白有哪些特点？

答：目前为大众所熟知且引发重大公共健康事件的冠状病毒有三种SARS-CoV、MERS-CoV以及正在流行的新型冠状病毒2019-nCoV。

 

从基因序列上看，这3种病毒的S蛋白基因长度均4000bp左右，主要有S1和S2两大区域组成，其中S1可以分为NTD和RBD两个区域，冠状病毒主要通过RBD与细胞表面的受体结合，以达到感染细胞的目的。MERS-CoV的RBD主要结合的受体是DPP4；2019-nCoV结合的受体和SARS-CoV一样，都是细胞表面的ACE2受体。但与SARS-CoV的S蛋白相比，2019-nCoV和MERS-CoV在S1和S2之间存在furin酶切位点，SARS-CoV没有，furin酶切位点的存在允许2019-nCoV和MERS-CoV的S蛋白被人体细胞内的furin酶切割成S1和S2。

图2 MERS-CoV的入侵过程。1、S1上的RBD和细胞表面的受体DPP4结合；2、之后S1脱落，S2上的fusion peptide(融合肽)插入到细胞膜里；3、紧接着S2上的HR1和HR2配对形成6-HB（6-螺旋束结构），有效的拉近病毒膜和细胞膜的距离；4、发生膜融合。

因此，在人体细胞中包装出的这三种冠状病毒表面，2019-nCoV和MERS-CoV的S蛋白处于切割状态，SARS-CoV的S蛋白处于融合状态，而S蛋白处于切割状态是病毒能够成功感染细胞所必需的。以MERS-CoV为例（图2），在感染过程中S1的RBD先和DPP4结合，然后经过一系列的变化，S2上的HR1和HR2配对，拉近了病毒膜和细胞膜的距离，发生膜融合，完成病毒感染，2019-nCoV的感染过程可能与之类似。SARS-CoV表面的S蛋白必须经过细胞表面的蛋白酶处理后，被切割成S1和S2后才能够完成感染，或者通过胞吞作用完成感染。由于furin酶切位点的存在，2019-nCoV和MERS-CoV的感染过程要比SARS-CoV简单，因此这可能是2019-nCoV感染和传播能力比SARS-CoV强的一个原因。

图3 S蛋白上的RBD处于站立状态，利于结合受体。注：SARS上的CTD1即RBD。

从蛋白结构上来看，三种冠状病毒的S蛋白在细胞表面均呈现三聚体形式（图3），形态类似，S蛋白上的RBD均有“站立”和“倒下“”的形态，“站立”的RBD可能利于和细胞表面的受体结合。

问：同SARS病毒相比，该病毒的RBD结构有何异同。

答：bioRxiv新在线的Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation文章中比较了SARS-CoV和2019-nCoV的RBD结构，发现它们很像，但SARS-CoV的S蛋白上“倒下”的RBD更靠近NTD，2019-nCoV的S蛋白上“倒下”的RBD更靠近三聚体的空腔。目前所获得的的2019-nCoV的S蛋白的三聚体结构分辨率是3.5埃，还有点偏低，RBD的部分精细结构看不到。

图4 左一为ACE2和SARS-CoV RBD的结构，RBD上标天蓝色的区域为RBD和ACE2相互作用的关键位点；右二为2019-nCoV RBD和SARS-CoV RBD的结构比较，绿色的2019-nCoV RBD,白色的为SARS-CoV RBD,目前的2019-nCoV RBD结构缺失红色圆框里的部分。

如图4所示的红色圆框为SARS-CoV和ACE2结合的一个重要loop，但目前的2019-nCoV RBD缺失这部分。要想看到它们RBD的具体差异，仍然需要提高分辨率，获得更精细的2019-nCoV RBD结构。

问：通过该结构的解析，如何指导抗体研发？目前有无潜在的有效抗体？

答：通过该结构的解析我们可以知道蛋白的形式，判断出哪些抗原表位是暴露的，哪些抗原表位是不暴露的，这有助于我们设计更好的抗原作为钓饵，分选出更好的抗体。结构解析对于抗体分选有很大帮助。举个例子，在HIV抗体中有一个抗体b12，科学家们解析了b12和HIV膜蛋白复合物的结构，知道了b12的表位，根据该表位设计了一系列的抗原用作钓饵，分选出很多好的抗体。

图5 SRAS-CoV抗体与2019-nCoV RBD的结合能力十分有限。

前段时间bioRxiv在线的一篇文章（Potent binding of 2019 novel coronavirus spike protein by a  SARS coronavirus-specific human monoclonal antibody）表明一种针对SARS RBD的抗体CR3022对2019-nCoV的RBD有较强的结合能力（图5），不知道该抗体是否对2019-nCoV具有中和能力。如果具有中和能力了，可能有一定的作用。Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation文章里验证的几种针对SARS RBD抗体对2019-nCoV RBD没有结合能力。可能要想获得有效的抗体仍然需要使用2019-nCoV的S蛋白从康复者体内或者抗体库中分选。

参考资料

1. Xu J, Jia W, Wang P, et al. Antibodies and vaccines against Middle East respiratory syndrome coronavirus[J]. Emerging microbes & infections, 2019, 8(1): 841-856.

2. Zhang S, Zhou P, Wang P, et al. Structural definition of a unique neutralization epitope on the receptor-binding domain of MERS-CoV spike glycoprotein[J]. Cell reports, 2018, 24(2): 441-452.

3.Gui M, Song W, Zhou H, et al. Cryo-electron microscopy structures of the SARS-CoV spike glycoprotein reveal a prerequisite conformational state for receptor binding[J]. Cell research, 2017, 27(1): 119-129.

4.Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation https://doi.org/10.1101/2020.02.11.944462

5. Potent binding of 2019 novel coronavirus spike protein by a  SARS coronavirus-specific human monoclonal antibody https://doi.org/10.1101/2020.01.28.923011