2020 年 2 月 19 日，Science 雜志刊發(fā)美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校 Jason S McLellan 團隊的一篇重磅成果，研究人員通過冷凍電鏡 Cryo-EM 技術(shù)，解析出新冠病毒 S 蛋白三聚體 3.5 埃的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，從生物物理及結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度加深了我們對新冠病毒的認知，為疫苗研發(fā)相關(guān)工作奠定了堅實基礎(chǔ)。

這是科學(xué)家首次通過冷凍電鏡對新冠病毒 S 蛋白結(jié)構(gòu)進行詳細觀察和解析。繪制冠狀病毒被稱為 S 蛋白的詳細結(jié)構(gòu)，是世界各地的研究人員開發(fā)相關(guān)疫苗和抗病毒藥物過程中至關(guān)重要的一步，基于這一突破，該研究團隊正在進行新冠病毒相關(guān)疫苗的測試工作。

來源：Science

據(jù)研究人員介紹，在從中國研究人員那里獲得新冠病毒的基因組序列僅僅兩周后，該研究團隊就設(shè)計并生產(chǎn)出了穩(wěn)定的 S 蛋白樣本，然后他們又花了大約 12 天的時間，重建了 S 蛋白的 3D 原子尺度結(jié)構(gòu)圖，并向 Science 雜志提交了一份手稿，Science 雜志也專門加快了同行評審的進程。

一般情況下，手稿評審過程中涉及的許多步驟，通常需要幾個月才能完成。這項最新成果于 2 月 17 日在預(yù)印版平臺 bioRxiv 發(fā)表，僅在 2 天后，便刊登在頂級期刊 Science 雜志上。

疫苗開發(fā)的關(guān)鍵：S 蛋白

冠狀病毒的 S 蛋白，全稱為 spike protein，組合成一個三聚體，約含有 1300 個氨基酸，屬于第一類膜融合蛋白，同類的病毒膜融合蛋白還包括 HIV 的 Env 蛋白，流感的 HA 蛋白，以及埃博拉病毒的 Gp 蛋白等。

不久前，中國科學(xué)院武漢病毒所石正麗團隊在 Nature 發(fā)表的研究論文中，對造成此次疫情的 2019-nCoV 病毒進入人體細胞的途徑進行了解析，證實新型冠狀病毒感染人體細胞的關(guān)鍵就在于 S 蛋白與 ACE2 蛋白的結(jié)合。在 SARS 病毒和 MERS 病毒中，S 蛋白也行使著同樣的作用。

新冠病毒

可以說，S 蛋白決定了病毒的宿主范圍和特異性，是宿主中抗體的重要作用位點，同時也是疫苗設(shè)計、治療性抗體和診斷方法的關(guān)鍵靶標。

此前大量將 S 蛋白作為抗原蛋白的新冠疫苗研發(fā)工作，多是基于新冠病毒 S 蛋白的預(yù)測結(jié)構(gòu)，或相近病毒（如 SARS）S 蛋白的已知結(jié)構(gòu)展開。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校副教授杰森·麥克萊倫 (Jason McLellan) 和他的同事，花了多年時間研究冠狀病毒，包括 SARS-CoV 和 MERS-CoV。他們曾開發(fā)出一種方法來鎖定冠狀病毒的 S 蛋白，使其更容易分析，并能有效地將其轉(zhuǎn)化為疫苗的候選分子。這一經(jīng)驗也使他們比其他研究這種新型病毒的研究團隊更有優(yōu)勢。

揭開新冠病毒高傳染性的秘密

為了解析新型冠狀病毒的 S 蛋白的結(jié)構(gòu)，McLellan 團隊的研究人員首先根據(jù)已經(jīng)公開的基因組序列，合成了新型冠狀病毒 S 蛋白的膜外部分，然后用冷凍電鏡解析 S 蛋白的三聚體結(jié)構(gòu)。

這項成功的關(guān)鍵是采用了被稱為低溫電子顯微鏡或冷凍電鏡 (cryo-EM) 的最先進技術(shù)。低溫電子顯微鏡允許研究人員制作原子尺度的細胞結(jié)構(gòu)、分子和病毒的三維模型。

由于新型冠狀病毒與 SARS-CoV 病毒之間的結(jié)構(gòu)同源性，因此研究人員對兩種病毒進行了進一步比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒的 S 蛋白與 SARS 病毒整體上看相似度很高，但在結(jié)構(gòu)上存在差異。

新冠病毒 S 蛋白結(jié)構(gòu)

除了解析新冠病毒的 S 蛋白結(jié)構(gòu)，研究人員還利用表面等離子共振技術(shù)（SPR）分析了 S 蛋白與 ACE2 的親和力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新冠病毒 S 蛋白與 ACE2 的平衡解離常數(shù) KD 是 15 nM，而 SARS 病毒 S 蛋白與 ACE2 的平衡解離常數(shù) KD 竟然達到了 325.8nM。KD 值越大說明解離越多，S 蛋白與 ACE2 的親和力越弱。

經(jīng)過計算，新型冠狀病毒 S 蛋白與 ACE2 的親和力，是 SARS 病毒 S 蛋白與 ACE2 之間親和力 10 到 20 倍。這也解釋了為什么新冠病毒的傳染性如此之強。

新冠疫苗呼之欲出

此前有研究認為，由于 SARS 病毒的 S 蛋白高度和新冠病毒 S 蛋白相似，因此，靶向 SARS 病毒 S 蛋白的抗體也有可能能夠作用于 2019-nCoV。

為此，研究人員專門測試了三種用于結(jié)合 SARS 病毒 S 蛋白的單克隆抗體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些抗體并不能與新冠病毒 S 蛋白產(chǎn)生交叉反應(yīng)，這也意味著，SARS 病毒的抗體并不能用于新冠病毒, 針對新冠病毒必須重新設(shè)計抗體和疫苗。

Jason S. McLellan（左）；論文共同第一作者、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校博士生 Daniel Wrapp（中）和研究助理王年爽（右）

「當(dāng)我們得知（2019-nCoV）是一種冠狀病毒時，我們覺得必須馬上采取行動?！筂cLellan 說，「我們可能是第一個得到這種結(jié)構(gòu)的團隊，而且我們確切地知道應(yīng)該引入什么突變（以設(shè)計疫苗），因為我們已經(jīng)證明這些突變對其他一些冠狀病毒有效?！?

研究人員表示，雖然他們所制造的蛋白分子，以及獲得的 S 蛋白結(jié)構(gòu)，只代表了 S 蛋白的細胞外部分，但它足以引發(fā)人體的免疫反應(yīng)，因此可以作為疫苗。

接下來，McLellan 的團隊還計劃利用這種分子做「探針」，從感染了新型冠狀病毒并成功康復(fù)的患者體內(nèi)分離出自然產(chǎn)生的抗體，如果數(shù)量足夠大，這些抗體可以幫助治療新冠病毒暴露不久后的感染。例如，可以在保護被送往高感染率地區(qū)的士兵或醫(yī)護人員，使其從疫苗中獲得免疫保護。

給力的西湖大學(xué)：解析 ACE2 全長結(jié)構(gòu)

McLellan 等人認為，新型冠狀病毒感染人體細胞的關(guān)鍵在于 S 蛋白與 ACE2 蛋白的結(jié)合，搞清楚新型冠狀病毒 S 蛋白的結(jié)構(gòu)，以及它與 ACE2 之間的相互作用，對于新型冠狀病毒的傳染作用有著重大意義。

所以，在對新型冠狀病毒 S 蛋白結(jié)構(gòu)解析成果的基礎(chǔ)之上，對于 ACE2 受體的蛋白結(jié)構(gòu)解析也成為科研探索道路上的一道重要關(guān)卡。

針對這個問題進行攻堅研究的西湖大學(xué)周強實驗室團隊，在 2 月 19 日以預(yù)印本的形式，發(fā)表了成功解析新冠病毒細胞受體 ACE2 全長結(jié)構(gòu)的成果，成為新型冠狀病毒研究方向上的另一個重大突破。

由于 ACE2 的廣泛存在，該研究為新冠病毒以及 SARS 病毒感染的分子基礎(chǔ)提供了直接線索，并可能促進潛在療法的發(fā)展。

「總體而言，ACE2 全長結(jié)構(gòu)的解析，將有助于理解冠狀病毒進入靶細胞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和功能特征，對發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化阻斷進入細胞的抑制劑有重要作用」，清華大學(xué)全球健康與傳染病研究中心主任張林琦教授說。

值得一提的是，2014 年張林琦教授和清華大學(xué)生命學(xué)院王新泉教授所帶領(lǐng)的團隊，在 Science 子刊 Science Translational Medicine 首次報道關(guān)于中東呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）的人源單克隆中和抗體，而當(dāng)時還是清華大學(xué)生命學(xué)院 2009 級博士生的王年爽，也正是當(dāng)時研究論文的共同第一作者。

正如 McLellan 所說:「我們最終成為第一批（解析出新冠病毒 S 蛋白結(jié)構(gòu)的團隊），部分原因是由于自己所在實驗室強大的基礎(chǔ)設(shè)施，這也突出了資助基礎(chǔ)研究設(shè)施的重要性?！?

而如今，以西湖大學(xué)校長施一公院士為代表的國內(nèi)科研力量，已經(jīng)在冷凍電鏡技術(shù)領(lǐng)域取得了一系列重大成果。這次西湖大學(xué)周強實驗室團隊關(guān)于新冠病毒蛋白結(jié)構(gòu)的解析，更是做到了世界首次。

我們有理由相信，隨著抗擊新冠病毒征程上一個又一個里程碑成果的發(fā)布，尤其是中國科研力量的崛起和貢獻，新冠病毒疫苗及有效藥物也將很快誕生。

與此同時，我們也應(yīng)該認識到，疫苗研發(fā)等科研工作本就不是一蹴而就的事情，對于當(dāng)今人類健康所面臨的各種威脅，也還有許多未知等待科學(xué)家們探索。