電鏡不僅可以揭示新冠病毒形態(tài)、擴增過程及傳播途徑，同時，使用冷凍電鏡解析病毒的刺突糖蛋白（Spike glycoprotein, S蛋白）結(jié)構(gòu)是助力疫苗與抗病毒藥物研發(fā)的關(guān)鍵所在。

2月15日，美國得克薩斯大學奧斯汀分校Jason S. McLellan教授團隊和美國國立衛(wèi)生研究院NIH聯(lián)合在預印版網(wǎng)站bioRxiv上發(fā)表了首篇使用冷凍電鏡解析新冠病毒S蛋白的研究文章。Jason Mclellan團隊通過冷凍電鏡Cryo-EM技術(shù)，解析了新冠病毒S蛋白三聚體的3.5埃的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，從生物物理及結(jié)構(gòu)生物學的角度加深了我們對新冠病毒的認知。

01

為何2019-nCoV的傳染性如此之強？

作者使用了來自賽默飛旗下品牌Thermo Scientific的Titan Krios冷凍電鏡，解析了新冠病毒刺突糖蛋白（簡稱S蛋白）三聚體預融合構(gòu)象的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，其分辨率達3.5埃（10-10?m）。該研究中發(fā)現(xiàn)新冠病毒S蛋白三聚體的在多數(shù)時候其三個受體結(jié)合域(Receptor-binding domains，RBDs)中的一個發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，使得其更容易與細胞表面的受體相互作用。作者還借助于其他生物物理和負染電鏡（Thermo Scientific Talos TEM）技術(shù)，發(fā)現(xiàn) 2019-nCoV S結(jié)合細胞表面受體血管緊縮素轉(zhuǎn)化酶2（angiotensin-converting enzyme 2, ACE2）的親和力高于SARS-CoV的 S蛋白。這兩方面的數(shù)據(jù)說明了為何2019-nCoV的傳染性較其他冠狀病毒傳染性更強。

*新冠病毒S蛋白三聚體預融合構(gòu)象的近原子分辨率結(jié)構(gòu)

作者進一步通過動力學實驗檢測確認新冠病毒、SARS病毒與宿主細胞受體ACE2親和力的差異。令人震驚的是，2019-nCoV結(jié)合ACE2的親和力是SARS病毒結(jié)合受體親和力的10-20倍。該研究成果進一步闡釋了新冠病毒能夠迅速在人際間傳播的原因。

*新型冠狀病毒相對SARS病毒對ACE2具有高親和性

02

為何SARS-CoV的抗體對2019-nCoV無效？

由于新型冠狀病毒與SARS-CoV病毒之間的結(jié)構(gòu)同源性，通過比較，研究者發(fā)現(xiàn)了2019-nCoV S蛋白與SARS-CoV S蛋白的結(jié)構(gòu)差異。此外，他們還測試了三種研發(fā)用于結(jié)合SARS-CoV S蛋白的單克隆抗體，研究發(fā)現(xiàn)這些抗體并不能與2019-nCoV S蛋白RBD產(chǎn)生交叉反應，這說明SARS-CoV的抗體并不能用于2019-nCoV, 針對2019-nCoV必須重新設(shè)計抗體和疫苗。

*2019-nCoV S與SARS-CoV S的結(jié)構(gòu)對比

總而言之，此文章利用冷凍電鏡技術(shù)對新型冠狀病毒的S蛋白進行了近原子分辨率的解析，為進一步精確地疫苗設(shè)計以及抗病毒藥物的研發(fā)提供了重要的結(jié)構(gòu)生物學基礎(chǔ)，為發(fā)展新型冠狀病毒的醫(yī)療對策提供了技術(shù)支持。后續(xù)如有相關(guān)疫苗或抗病毒藥物的研究進展，冷曉鏡會持續(xù)跟進報道。

冷曉鏡小課堂

Q

刺突糖蛋白（簡稱S蛋白）為何這么重要？

冠狀病毒的刺突糖蛋白（Spike glycoprotein, S glycoprotein）是Ⅰ型跨膜糖蛋白，也是病毒最大的結(jié)構(gòu)蛋白，其包含了病毒的主要抗原決定簇，能夠刺激機體產(chǎn)生中和抗體和介導免疫反應，通常包括由球狀的受體結(jié)合亞基S1和棒狀的融合亞基S2兩部分。同時，S蛋白的S1亞基決定了受體細胞的表面受體的特異性，而S2亞基又決定了病毒進入細胞的融合過程的特性，可以說S蛋白的結(jié)構(gòu)對于設(shè)計疫苗來產(chǎn)生抗體或者設(shè)計藥物阻斷病毒吸附與侵染具有重要作用。

*美國疾病控制中心 (CDC) 創(chuàng)建的新冠病毒立體模型“?

作為冷凍電鏡（cryo-EM）技術(shù)的開拓者，賽默飛世爾科技一直致力于該技術(shù)的研發(fā)和普及，在不斷推出新產(chǎn)品的同時，還專門與客戶合作開發(fā)了冷凍電鏡免費在線學習工具，希望為廣大生命科學工作者及相關(guān)行業(yè)提供更完備更易用的解決方案。

目前，賽默飛世爾科技冷凍電鏡產(chǎn)品家族包括旗艦級300 kV產(chǎn)品Krios G4，最新推出的200 kV產(chǎn)品Glacios，用于冷凍樣品制備的Vitrobot和用于樣品篩查的入門級產(chǎn)品Talos L120C G2，以及用于冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）細胞樣品減薄的冷凍聚焦離子束Aquilos 2等。”

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[來源：賽默飛世爾科技（中國）有限公司集團展位] 電鏡