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新冠病毒强传染性谜底揭晓:是SARS的10-20倍

字号+ 作者:燕郊168网 来源:科技日报 2020-02-21 19:03

美国国家过敏和传染病研究所疫苗研究中心最近提交的一篇论文对新冠病毒结构进行了研究,并验证了一个结论:新冠病毒S蛋白与细胞ACE2的亲和力是SARS的10到20倍。这可能意味着新冠病毒肺炎(COVID-19)的传染性相比SARS要高出很多。

美国国家过敏和传染病研究所疫苗研究中心最近提交的一篇论文对新冠病毒结构进行了研究,并验证了一个结论:新冠病毒S蛋白与细胞ACE2的亲和力是SARS的10到20倍。这可能意味着新冠病毒肺炎(COVID-19)的传染性相比SARS要高出很多。

这篇最新论文目前被发布在生物领域预印版论文平台bioRxiv上。其中,研究人员通过低温电子显微镜构建了新冠病毒S蛋白的预融合构架是三个聚体,发现每个单体上都有细胞受体结合点位。

对比新冠与非典的S蛋白,研究人员惊讶的发现,新冠病毒和人血管紧张素转化酶2(ACE2)的结合力是SARS病毒的10-20倍。

这也是科学家们首次对于新冠病毒(2019-nCoV)突刺蛋白冷冻电镜结构进行详细观察揭示的秘密。



编译 | 微胖、泽南

冠状病毒的刺突糖蛋白(Spike glycoprotein, S glycoprotein)是疫苗、治疗性抗体的研发以及临床诊断的关键靶点。

2020年2月15日,美国卫生总署(NIH)与德克萨斯大学奥斯汀分校Jason S. McLellan研究组(此前,McLellan组在病毒结构方面做了很多重要的工作,研究涉及MERS等疾病)进行合作,利用冷冻电镜技术分析了新型冠状病毒表面S蛋白的近原子结构。这一研究揭示了新型冠状病毒传染性强的主要原因。



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新冠病毒的强传染性之谜

在新冠肺炎疫情爆发之后不久,中国科学院上海巴斯德研究所和武汉病毒研究所的科学家先后分别发现新型冠状病毒和SARS病毒一样,也是通过利用S蛋白结合人体细胞表面的ACE2蛋白进入细胞,只不过二者S蛋白同源性比较低,只有76.47%。
1月底,根据中国疾控中心、湖北省疾控中心、香港大学等机构1月29日在NEJM上发表的论文《新型冠状病毒感染肺炎在中国武汉的初期传播动力学》,通过分析武汉最早的425例确诊病例数据,估计R0(基本传染数)约为2.2,亦即每个感染者平均将传给另外2.2人。这与WHO方面的初步估计值接近,该机构给出的R0值为1.4至2.5。

不过,随着疫情的蔓延,新冠肺炎表现出的传染性明显强于SARS。

据媒体报道,本周,中国团队基于更大规模的数据评估的R0值3.77,基本明确了新冠肺炎的传染性强于SARS。

今天,世界首个新冠病毒(2019-nCoV)突刺蛋白的冷冻电镜结构研究出炉。最新研究采用利用冷冻电镜技术解析了新型冠状病毒的S蛋白结构,还利用表面等离子共振技术(SPR)分析了S蛋白与ACE2的亲和力。

其中,冷冻电镜技术,其发明人曾获2017年获得诺贝尔化学奖,让人类在原子级别观测生命现象成为可能。SPR是从20世纪90年代发展起来的一种新技术,其应用SPR原理检测生物传感芯片(biosensor chip)上配位体与分析物之间的相互作用情况,广泛应用于各个领域。

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首个新冠病毒

S蛋白冷冻电镜结构揭秘


在这篇研究中,研究人员获得了处于预融合构象的新型冠状病毒突刺蛋白三聚体的冷冻电镜(cryo-EM)结构,其分辨率为3.5Å。三聚体的主要状态为三个受体结合结构域(RBD)之一向上旋转为受体可结合的构象。

生物物理和结构证据表明,较之SARS冠状病毒,新型冠状病毒的三聚体更容易与细胞表面的ACE2蛋白结合。另外,研究者们也测试了几个已经发表过的SARS冠状病毒RBD特异性单克隆抗体,发现它们与新冠病毒S突刺蛋白没有明显的结合,这表明两种病毒RBD之间的抗体交叉反应性可能受到限制。


图1. 预融合构象中的2019-nCoV S蛋白结构。
新型冠状病毒利用高度糖基化的同源三聚体S蛋白进入宿主细胞。S蛋白经历结构变化将病毒融合进入宿主细胞的细胞膜。此过程包括病毒的S1亚基结合到宿主细胞受体上,引发三聚体不稳定性的发生,进而造成S1亚基脱落S2亚基形成高度稳定的融合后结构。

为了与宿主细胞受体结合,S1的受体结合域(RBD)经历了类似于铰链的融合构象运动,以暂时隐藏或暴露受体结合的关键位点。这两种状态被称为“下”构象和“上”构象,其中,“下”对应于受体不可结合状态,“上”对应于受体可结合状态,而受体可结合状态被认为较为不稳定。

由于S蛋白的不可或缺性,它是抗体介入中和的一个脆弱靶点,而预融合S结构的特性将为指导疫苗的设计和开发提供原子水平的信息。

根据新型冠状病毒公布的基因序列,研究者表达了S突刺蛋白的胞外域残基(ectodomain residues)1−1208,在基于先前的稳定策略的C末端S2融合机制中增加了两个稳定脯氨酸突变,该策略被证明对β冠状病毒S蛋白高效。

研究者从FreeStyle 293细胞中获得了大约0.5毫克/升的重组预融合稳定的S胞外域,通过亲和层析和凝胶排阻层析进行体外蛋白纯化(补充材料图1)。使用这种纯化的、完全糖基化的S蛋白制备冷冻电镜网格,初步筛选显示高颗粒密度,在孔的边缘几乎没有聚集。
图2. 2019-CoV病毒S蛋白与 SARS-CoV病毒S蛋白的结构比较。

最近的研究表明,新型冠状病毒和SARS冠状病毒的S蛋白具有相同的功能性宿主细胞血管紧张素转受体(ACE2),这促使研究人员对于通过表面等离子共振(SPR)的动力学进行量化研究。

让大家感到吃惊的是,新型冠状病毒S蛋白与ACE2的平衡解离常数KD是15 nM,而SARS病毒S蛋白与ACE2的平衡解离常数KD竟然达到了325.8 nM。

KD值越大说明解离越多,S蛋白与ACE2的亲和力越弱。经过计算,新型冠状病毒S蛋白与ACE2的亲和力,是SARS病毒S蛋白与ACE2之间亲和力10倍,甚至20倍。

新冠病毒对于人类ACE2的高亲和力,可能有助于使它在人与人之间的传播变得更加容易,但论文作者认为,还需要进一步的研究来研究这种可能性。



新冠病毒(上)和SARS病毒(下)的S蛋白与ACE2的亲和力比较

由于新型冠状病毒与SARS病毒之间的结构同源性,研究人员希望对已经发表的SARS病毒的RBD单克隆抗体对新型冠状病毒的RBD进行交叉反应性测试。

不过,尽管两病毒RBD之间结构高度相似,SARS病毒的RBD抗体对于新型冠状病毒并没有明显的结合。SARS RBD的单克隆抗体对于新型冠状病毒不具有交叉反应,该结果与为新型冠状病毒S突刺蛋白作为未来抗体分离与治疗方案的设计提供了重要的参考。


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研究的重要意义

这项研究从近原子水平的分辨率解析了新型冠状病毒S蛋白,为进一步精确地疫苗设计以及抗病毒药物的发现提供了重要的结构生物学基础,为后续对抗新冠的疫苗和抗病毒药物研发提供了重要的结构生物学数据支撑。

据McLellan实验室透露,针对S蛋白的新冠肺炎疫苗,已经由本研究的参与者,美国国立卫生研究院疫苗研发中心的Barney Graham团队展开测试。

参考文献:
Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation
http://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.11.944462v1

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