Science:西湖大学解析新冠病毒细胞受体ACE2全结构

时间 : 2020-03-05
血管紧张素转换酶2（ACE2）是SARS冠状病毒（SARS-CoV）和引起严重流行COVID-19的新冠状病毒（SARS-CoV-2）的细胞受体。但是具体的分子细节不是很清楚。2020年3月4日，西湖大学周强团队在Science在线发表题为“Structural basis for the recognition of the SARS-CoV-2 by full-length human ACE2”的研究论文，该研究利用冷冻电镜技术成功解析了此次新冠病毒的受体——ACE2的全长结构，这是世界上首次解析出ACE2的全长结构。

 

另外，2020年3月1日，华盛顿大学David Veesler团队在Cell 在线发表题为“Structure, function and antigenicity of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein”的研究论文，该研究显示SARS-CoV-2 S使用ACE2进入细胞，并且SARS-CoV-2 S与ACE2的结合能力明显高于SARS-CoV S与人ACE2的亲和力，这突出了SARS-CoV-2的该传染性。SARS-CoV-2 S糖蛋白在S1 / S2亚基之间的边界处具有furin蛋白酶切割位点，该位点在生物发生过程中被处理，并将这种病毒与SARS-CoV和SARS相关的CoV分开。该研究确定了SARS-CoV-2 Sectodomain三聚体的冷冻电镜结构，为疫苗和病毒进入抑制剂的设计提供了蓝图。最后，该研究证明了SARS-CoV S鼠多克隆抗体有效地抑制了SARS CoV-2 S介导的细胞进入，表明接种疫苗后可以诱导靶向中和的S抗原决定簇的交叉中和抗体（点击阅读）。

 

2020年2月20日，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的McLellan团队在Science 在线发表题为“Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation”的研究论文，该研究通过冷冻电镜解析了新冠病毒2019-nCoV侵染细胞的关键组分刺突糖蛋白（S蛋白）的3.5Å分辨率的结构，并表明2019-nCoV S结合细胞上的ACE2受体的亲和力比SARS-CoV S高10-20倍，这暗示新冠病毒传染性可能高于SARS病毒（点击阅读）。

 

 
新型冠状病毒感染引发的肺炎疫情爆发后，武汉病毒研究所的科学家发现，新型冠状病毒和2003年的SARS病毒一样，也是通过识别ACE2蛋白进入人体细胞的，ACE2是“新冠病毒”侵入人体的关键。研究发现，在SARS病毒和“新冠病毒”侵入人体的过程中，ACE2就像是“门把手”，病毒抓住它，从而打开了进入细胞的大门。
 
ACE2-B0AT1 复合物的冷冻电镜密度图
 
此前，曾有研究解析出ACE2的一个胞外结构域与SARS病毒S蛋白形成的复合物的三维结构。最近美国得克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队又展示了新冠病毒的S蛋白结构。然而，ACE2到底在细胞膜上是以什么状态存在？新冠病毒对比SARS病毒与ACE2结合有何异同？获取ACE2的全长蛋白及其与S蛋白的复合物结构，将大大有助于解答上述疑问。

ACE2-B0AT1 复合物结构图

周强实验室针对这个问题进行了攻坚。第一步，他们要获取ACE2蛋白全长蛋白，但作为膜蛋白的ACE2本身很难在体外稳定获得。周强及博士后鄢仁鸿在文献中发现ACE2与肠道内的一个氨基酸转运蛋白B0AT1能够形成复合物。根据他们过去的研究经验，这个复合物极有可能稳定住ACE2。果然，他们通过共表达的方法获得了ACE2与B0AT1优质稳定的复合物，并利用西湖大学的冷冻电镜平台成功解析了其三维结构，分辨率达到2.9埃，对于病毒识别至关重要的胞外结构域分辨率为2.7埃。(注：3埃是评价蛋白质结构分辨率的分界点。3埃以内的可以认为是高分辨率结构，在电子密度图上可以很清楚的确定侧链构象，侧链之间的盐键，氢键等相互作用。)
ACE2-B0AT1 复合物和之前解析复合物（SARS-CoV的S蛋白与ACE2的PD结构域的复合物）的比较，两种复合物通过PD结构域锚定在一起。
通过分析ACE2的全长蛋白结构，周强实验室发现ACE2以二聚体形式存在，同时具有开放和关闭两种构象变化，但两种构象均含有与冠状病毒的相互识别界面。
这一研究发现为进一步解析全长ACE2和新冠病毒的S蛋白复合物的三维结构奠定了基础。而这个工作本身为理解新冠病毒侵染细胞提供了很多有趣的线索。
比如，ACE2的二聚体与新冠病毒S蛋白的三聚体是否可以发生更高层级的交联，从而促进病毒与宿主细胞膜的融合或者内吞？之前有研究表明ACE2的胞外区如果被切割，将会更有效地促进冠状病毒的侵染，但是ACE2与B0AT1的复合物结构显示B0AT1的存在有可能阻碍蛋白酶靠近这个切割位点，这是否解释了病毒侵染症状主要发生在没有B0AT1的肺部？
“总之，ACE2全长结构的解析，将有助于理解冠状病毒进入靶细胞的结构基础和功能特征，对发现和优化阻断进入细胞的抑制剂有重要作用”，清华大学全球健康与传染病研究中心主任张林琦教授说。