清華王新泉研究組揭示冠狀病毒入侵宿主細胞關鍵步驟

12月23日，清華大學生命科學學院王新泉教授與醫學院向燁研究員合作在《細胞研究》（Cell Research）期刊在線發表題為《SARS冠狀病毒刺突糖蛋白冷凍電鏡結構揭示其受體結合的必需構象狀態》（Cryo-electron microscopy structures of the SARS-CoV spike glycoprotein reveal a prerequisite conformational state for receptor binding）的研究論文，首次解析了高致病性冠狀病毒SARS-CoV表面刺突蛋白（spike）蛋白的近原子分辨率結構，并捕捉到刺突蛋白的多種中間構象，揭示了SARS冠狀病毒入侵宿主細胞過程中必需的動態結構變化。

高致病性冠狀病毒感染是全球公共衛生的重大威脅。2002-2003年嚴重急性呼吸道綜合征冠狀病毒（SARS-CoV）的爆發導致全球8000多人感染，800多人死亡；2012年中東呼吸系統綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）從中東地區開始流行，已導致1800多人感染，600多人死亡。2015年世界衛生組織列出了8種可能引起嚴重爆發性流行的危險病原體，SARS冠狀病毒和中東呼吸系統綜合征冠狀病毒名列其中。迄今為止，還沒有針對這兩種冠狀病毒的特異性藥物和疫苗。

冠狀病毒刺突蛋白（spike）為同源三聚體，位于病毒囊膜表面，是已知最大的病毒表面蛋白。刺突蛋白在病毒與宿主細胞接觸，與宿主細胞受體結合以及病毒-宿主細胞膜融合過程中起著關鍵作用，同時也是中和抗體結合及疫苗研發的重要靶點。

冠狀病毒刺突蛋白從非激活態到激活態的構象變化

本研究通過冷凍電鏡單顆粒三維重構的方法解析了SARS冠狀病毒刺突蛋白四種構象的結構。其中構象一為三重對稱的結構，分辨率達4.3 埃，在此構象下刺突蛋白的三個受體結合區（RBD）都處于“向下”位置，由于空間位阻，SARS冠狀病毒細胞受體血管緊張素轉化酶2（ACE2）無法結合刺突蛋白，因此該構象為受體結合的非激活狀態。其余三種構象刺突蛋白的對稱性被破壞，一個受體結合區抬起處于“向上”位置，在該構象下細胞受體能順利結合抬起的受體結合區而沒有空間位阻，因此這三種構象為受體結合的激活狀態。受體結合區從“向下”位置到“向上”位置的轉換也是中和性抗體與spike的結合所必需，并且可推廣到中東呼吸系統綜合征冠狀病毒等其他類似的冠狀病毒，這對理解冠狀病毒侵染宿主細胞的分子機制，以及特異性藥物和疫苗的開發提供了重要指導。

王新泉教授和向燁研究員均為北京結構生物學高精尖創新中心及清華大學醫學院傳染病研究中心成員，長期從事病毒侵染及免疫逃逸相關的結構生物學研究。2013、2014和2015年，王新泉教授和張林琦教授團隊在《細胞研究》（Cell Research）、《科學-轉化醫學》（Science Translational Medicine）和《科學報告》（Scientific Reports）上分別報道了中東呼吸系統綜合征冠狀病毒表面刺突蛋白的受體結合區受體結合區與人受體二肽基肽酶4（DPP4）復合物的晶體結構，靶向受體結合區的中東呼吸系統綜合征冠狀病毒人源中和性抗體MERS-4和MERS-27的篩選與鑒定，以及MERS-27發揮中和作用的分子機制。2016年2月，向燁研究員團隊與合作者在《科學》（Science）期刊上報道了埃博拉病毒表面糖蛋白GP與高效中和抗體的冷凍電鏡結構和中和機制；6月，向燁研究員團隊又獨立在《自然》（Nature）期刊上報道了噬菌體突破細菌細胞膜的新機制。此次，兩研究組共同協作，解析了SARS冠狀病毒刺突蛋白的冷凍電鏡結構，并捕捉到了病毒侵染過程中關鍵的中間狀態，極大地促進了研究界對病毒侵染機制的理解。

清華大學醫學院向燁研究組聯合培養博士生桂淼和生命學院2014級博士生宋文飛為本論文的共同第一作者，王新泉教授和向燁研究員為本論文的共同通訊作者。

王新泉教授實驗室博士生周海霞，向燁研究員實驗室博士生許靖蔚和陳思煉參與了本項工作。該工作的冷凍電鏡數據采集在國家蛋白質科學設施（北京）的清華大學冷凍電鏡平臺完成，數據處理在國家蛋白質科學設施（北京）清華大學高性能計算平臺完成。本工作獲得國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃和北京市結構生物學高精尖創新中心等的經費支持。