電鏡不僅可以揭示新冠病毒形態(tài)、擴(kuò)增過(guò)程及傳播途徑，同時(shí)，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(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Jason S. McLellan教授團(tuán)隊(duì)和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院NIH聯(lián)合在預(yù)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(tuán)隊(duì)通過(guò)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(xué)的角度加深了我們對(duì)新冠病毒的認(rèn)知。

01

為何2019-nCoV的傳染性如此之強(qiáng)？

作者使用了來(lái)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(jiǎn)稱S蛋白）三聚體預(yù)融合構(gòu)象的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，其分辨率達(dá)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(shí)候其三個(gè)受體結(jié)合域(Receptor-binding domains，RBDs)中的一個(gè)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，使得其更容易與細(xì)胞表面的受體相互作用。作者還借助于其他生物物理和負(fù)染電鏡（Thermo Scientific Talos TEM）技術(shù)，發(fā)現(xiàn) 2019-nCoV S結(jié)合細(xì)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(shuō)明了為何2019-nCoV的傳染性較其他冠狀病毒傳染性更強(qiáng)。

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

作者進(jìn)一步通過(guò)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)確認(rèn)新冠病毒、SARS病毒與宿主細(xì)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(jìn)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(duì)SARS病毒對(duì)ACE2具有高親和性

02

為何SARS-CoV的抗體對(duì)2019-nCoV無(wú)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(guò)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(cè)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R(shí)BD產(chǎn)生交叉反應(yīng)，這說(shuō)明SARS-CoV的抗體并不能用于2019-nCoV, 針對(duì)2019-nCoV必須重新設(shè)計(jì)抗體和疫苗。

*2019-nCoV S與SARS-CoV S的結(jié)構(gòu)對(duì)比

總而言之，此文章利用冷凍電鏡技術(shù)對(duì)新型冠狀病毒的S蛋白進(jìn)行了近原子分辨率的解析，為進(jìn)一步精確地疫苗設(shè)計(jì)以及抗病毒藥物的研發(fā)提供了重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)，為發(fā)展新型冠狀病毒的醫(yī)療對(duì)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(jìn)展，冷曉鏡會(huì)持續(xù)跟進(jìn)報(bào)道。

冷曉鏡小課堂

Q

刺突糖蛋白（簡(jiǎn)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(jī)體產(chǎn)生中和抗體和介導(dǎo)免疫反應(yīng)，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(shí)，S蛋白的S1亞基決定了受體細(xì)胞的表面受體的特異性，而S2亞基又決定了病毒進(jìn)入細(xì)胞的融合過(guò)程的特性，可以說(shuō)S蛋白的結(jié)構(gòu)對(duì)于設(shè)計(jì)疫苗來(lái)產(chǎn)生抗體或者設(shè)計(jì)藥物阻斷病毒吸附與侵染具有重要作用。

*美國(guó)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(kāi)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(shí)，還專門與客戶合作開(kāi)發(fā)了冷凍電鏡免費(fèi)在線學(xué)習(xí)工具，希望為廣大生命科學(xué)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(jí)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(jí)產(chǎn)品Talos L120C G2，以及用于冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）細(xì)胞樣品減薄的冷凍聚焦離子束Aquilos 2等。”

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