新冠肺炎在数月蔓延全球，疫情的传播程度和严重性令人深感担忧。在繁忙的战疫期间，中国展示了在全球公共卫生事业上尽心尽力的大国担当。国内疫情正在退潮，国外困难却越来越明显的浮现出来。对此新冠肺炎病毒检测以及治疗药物研究就越来越重要。全球科研机构以及企业研发人员都积极投入到此次研究中来。

背景

冠状病毒（Coronaviruses，CoV）属于尼多病毒目冠状病毒科，为有包膜的单股、正链RNA病毒，分为α，β和γ三个属。冠状病毒粒子呈球形或不规则形，有囊膜，大小为80-120 nm。其基因组的5'端带有帽子结构，其后包含6-10个开放阅读框(Open reading frames，ORFs)。占据基因组2/3的第一个阅读框编码复制酶，基因组的另1/3主要编码结构蛋白，一般包括纤突蛋白(spike，S)、小包膜蛋白(envelope，E)、囊膜蛋白(membrance，M)、核蛋白(nucleocapsid，N)。E蛋白和M蛋白主要参与病毒的装配过程，N蛋白包裹基因组形成核蛋白复合体
  冠状病毒主要通过刺突糖蛋白（Spike glycoprotein, S glycoprotein）与宿主细胞受体结合介导病毒的入侵并决定病毒组织或宿主嗜性。刺突糖蛋白（S蛋白）是一类很大的三聚体跨膜糖蛋白，其在病毒表面形成特殊的花冠结构，冠状病毒因此而得名。S蛋白可识别宿主细胞受体并介导膜融合，对于病毒颗粒进入细胞至关重要，是病毒感染宿主细胞的关键因子。SARS-CoV-2和2003年的SARS病毒一样，都是通过识别人类宿主的ACE2蛋白从而进入细胞的，尤其是，S蛋白结构域的细胞受体结合区（Receptor binding domain，RBD）直接参与了宿主受体的识别，该区域的氨基酸变异会导致病毒的种属嗜性和感染特性的变化。因此，获取SARS-CoV-2的S蛋白与ACE2蛋白的复合物结构，将有助于理解新冠病毒对比SARS病毒与ACE2结合的差异，以及SARS-CoV-2的S蛋白与ACE2 结合时的存在状态，因此，SARS-CoV-2的S蛋白与ACE2蛋白的复合物结构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。

 

在新冠肺炎（COVID-19）疫情爆发之后没多久，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就先后发现：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蛋白进入细胞的。

从那之后，新冠病毒的S蛋白和细胞表面的ACE2成为科学家们的研究重点。日前，美国德克萨斯大学奥斯汀分校Jason S. McLellan团队和西湖大学周强实验室先后利用冷冻电镜技术分别首次成功解析了S蛋白（spike protein）和ACE2的完整结构，以及完整ACE2蛋白与新冠病毒S蛋白受体结构域（RBD）的复合物结构。

 

Jason S. McLellan 研究组中，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至构象。

  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。
 

预融合构象中的 2019-nCoV S 蛋白结构
 

 

而西湖大学周强团队则借助于氨基酸转运蛋白B0AT1，成功在实验室里获得了稳定的人细胞受体ACE2的结构，并利用冷冻电镜技术，解析了ACE2的完整三维结构。

发现了ACE2是以二聚体的形式存在，同时具有开放和关闭两种构象，而且两种构象都有与冠状病毒结合的界面。进一步研究发现，一个ACE2二聚体能结合两个SARS冠状病毒的S蛋白三聚体。

此外，还发现ACE2细胞外的那部分（PD）存在6个糖基化位点，这比之前的研究成果多出了4个。

两个ACE2蛋白聚合在一起

 

为了揭示ACE2与新冠病毒之间的识别细节，他们获取了新冠病毒S蛋白的RBD。发现这个RBD就是新冠病毒识别并结合细胞受体ACE2的关键。

有了S蛋白的RBD之后，他们将RBD与之前获得的ACE2-B0AT1复合体，按照接近1：1的比例混合，让它们自由结合。然后获得复合物，用冷冻电镜给它们拍照片。最后获得了分辨率达2.9Å的RBD-ACE2-B0AT1复合体。

基于这个复合体，他们的第一个发现是：虽然ACE2二聚体有开放和关闭两种构象，而且都有与冠状病毒结合的界面；但是与S蛋白RBD结合的ACE2-B0AT1复合体只有关闭构象。

RBD-ACE2-B0AT1 复合物的冷冻电镜密度图，框内为RBD（黄色）与ACE2（蓝色）的相互作用界面
 

 

王新泉和张林琦团队选择在Hi5昆虫细胞中表达新冠病毒S蛋白的RBD和人细胞受体ACE2细胞外部分。很显然，这个研究的目的就是想看清楚新冠病毒S蛋白的RBD与ACE2的结合部分究竟长什么样。

经过一些列的表达和纯化，得到了新冠病毒S蛋白的RBD（Cys336至Glu516残基）和人细胞受体ACE2细胞外部分（Ser19至Asp615残基）的晶体结构，然后利用X射线衍射技术，最终获得了分辨率达到2.5Å三维结构图。

他们发现新冠病毒S蛋白的RBD的18个氨基酸残基，与人细胞受体ACE2细胞外部分的20个氨基酸残基结合，结合面积在1700Ų左右。对于SARS病毒而言，是16个氨基酸对20个氨基酸。

与新冠病毒结合和SARS病毒结合的那20个ACE2的氨基酸残基，有17个是一样的。在新冠病毒RBD与ACE2的结合界面，有17个氢键和1个盐桥；而SARS病毒和ACE2的结合界面，有12个氢键和2个盐桥。

新冠病毒RBD与ACE2结合

 

这些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。

基于S蛋白及其与ACE2相互作用的治疗策略已经在众多致力于解决这次全球性公共卫生事件的制药企业和科研院所中广泛开展并取得了初步的进展。我们相信，随着更多的研究和临床试验拼成一幅完整的拼图，我们终将打赢这场防疫之战。

针对新冠病毒，目前依然缺少蛋白类、抗体类的诊断和治疗手段。对于新冠病毒的诊断研发，华安生物将以N蛋白和S蛋白为主要研发目标，而针对新冠病毒的抗体药物治疗手段，将以S蛋白和ACE2的中和抗体为研发目标。华安生物研发部已经开发了SARS-CoV-2一系列蛋白及抗体，近期将会上市。

 

参考文献：

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[3].https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.01.28.923011v1

[4].https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.11.944462v1

[5].http://eprint.las.ac.cn/abs/202002.00004