
李克強(qiáng)總理視察中國(guó)醫(yī)科院時(shí)通過(guò)透射電鏡觀察新冠病毒及華盛頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)室同型號(hào)電鏡
Thermo Scientific Tecnai G2 Spirit
● 疫情快訊
2019新型冠狀病毒(2019-nCoV),因2019年武漢病毒性肺炎(2020年2月11日命名為COVID-19)病例而被發(fā)現(xiàn),目前感染形勢(shì)依然很?chē)?yán)峻,疫苗與抗病毒藥物研發(fā)迫在眉睫。數(shù)日前,李克強(qiáng)總理赴中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所,考察疫情防控科研攻關(guān),電鏡實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人介紹了研發(fā)藥物動(dòng)物模型、病毒傳播途徑研究等情況。
總理為何會(huì)去視察電鏡實(shí)驗(yàn)室

接下來(lái),我們就和大家詳細(xì)地介紹一下電鏡在新冠肺炎戰(zhàn)役中發(fā)揮著怎樣的作用。

助力病毒形態(tài)、
擴(kuò)增過(guò)程及病毒傳播途徑的研究
2019年12月,武漢市部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)陸續(xù)出現(xiàn)不明原因肺炎病人。來(lái)自多個(gè)小組的科學(xué)家從住院患者那里獲得了病毒樣本。截至2020年1月初,實(shí)驗(yàn)室檢出這種新型病毒電鏡下呈現(xiàn)典型的冠狀病毒形態(tài)。專(zhuān)家組認(rèn)為,本次不明原因的病毒性肺炎病例的病原體初步判定為新型冠狀病毒。下圖為中國(guó)疾病預(yù)防控制中心病毒病預(yù)防控制所于1月6日分離的新型冠狀病毒毒株的電鏡照片。疾病預(yù)防控制中心 (CDC)和中國(guó)衛(wèi)生部門(mén)后來(lái)確定并宣布,一種名為武漢冠狀病毒的新型冠狀病毒(2019-nCoV)引起了武漢市的肺炎爆發(fā)。


武漢新型冠狀肺炎病毒電鏡圖片:
單個(gè)新冠病毒顆粒直徑約100nm
(照片來(lái)源:國(guó)家病原微生物資源庫(kù))
新型冠狀病毒(2019-nCoV)
2019-nCoV屬于套式病毒目,冠狀病毒科, 冠狀病毒屬。2003年的SARS-CoV與2012年的MERS-CoV,及模式病毒小鼠肝炎病毒MHV均屬于 冠狀病毒?!靶虏《九c其它 冠狀病毒的序列基本相似, 其中不同冠狀病毒與宿主細(xì)胞作用的關(guān)鍵spike基因(編碼S-蛋白),有更大的差異性。雖然武漢新型冠狀病毒S-蛋白中與人體ACE2蛋白結(jié)合的5個(gè)關(guān)鍵氨基酸有4個(gè)發(fā)生了變化,但變化后的氨基酸,卻在整體性上完美地維持了SARS-CoV的S-蛋白與ACE2蛋白互作的原結(jié)構(gòu)構(gòu)象?!?/p>
冠狀病毒結(jié)構(gòu)圖
病毒是一種非細(xì)胞生命形態(tài),它的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、和轉(zhuǎn)譯的能力都是在宿主細(xì)胞中進(jìn)行,按照它自己的核酸所包含的遺傳信息產(chǎn)生和它一樣的新一代病毒。緊接著,新一代病毒粒子從受感染細(xì)胞的表面釋放出來(lái)。
香港大學(xué)研究人員于1月31日公布首批新型冠狀病毒在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制過(guò)程的圖像,他們通過(guò)培養(yǎng)受感染細(xì)胞,觀察新型冠狀病毒的生長(zhǎng)過(guò)程。每個(gè)受感染的細(xì)胞會(huì)衍生出數(shù)以千計(jì)的病毒粒子,從而繼續(xù)感染新細(xì)胞。


利用透射電鏡研究新冠病毒
在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制擴(kuò)增過(guò)程
(圖片來(lái)源:香港大學(xué))
(電鏡型號(hào):Thermo Scientific Tecnai G2 20)

助力抗病毒藥物研發(fā)
目前針對(duì)新冠肺炎(COVID-19)的治療,并沒(méi)有疫苗與抗病毒特效藥,疫情防控刻不容緩,這一形勢(shì)急需科學(xué)家加快研發(fā)步伐。揭示2019-nCoV三維結(jié)構(gòu)及其入侵過(guò)程是發(fā)現(xiàn)藥物靶點(diǎn)的關(guān)鍵所在,有助于進(jìn)一步設(shè)計(jì)藥物阻斷病毒入侵。
然而,病毒分子量大,且不易結(jié)晶,使其難以通過(guò)x-ray和NMR等傳統(tǒng)手段,開(kāi)展新冠病毒結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。目前科學(xué)家們主要通過(guò)x-ray技術(shù)解析了病毒水解酶的結(jié)構(gòu),但是病毒的完整結(jié)構(gòu)依然未知,后續(xù)科研工作面臨著極大的挑戰(zhàn)。
在藥物與疫苗研發(fā)的關(guān)鍵階段,冷凍電鏡正是解析完整病毒結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵蛋白分子結(jié)構(gòu)的利器?;陔婄R技術(shù)展開(kāi)的病毒結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究,科學(xué)家可以進(jìn)一步確定病毒侵入細(xì)胞的關(guān)鍵蛋白結(jié)構(gòu)與作用位點(diǎn),從而針對(duì)藥物靶點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)藥物,或者根據(jù)病毒的抗原表位信息來(lái)指導(dǎo)疫苗的設(shè)計(jì)與研發(fā)。這些研究都將為后續(xù)的疫情防治工作提供重要的科技基礎(chǔ)。
使用冷凍電鏡解析SARS完整病毒顆粒
及S蛋白分子結(jié)構(gòu)的研究案例
SARS病毒冷凍電鏡圖片
(SARS電鏡圖片的引文:Architecture of the SARS coronavirus prefusion spike. Beniac DR, et al. Nat Struct Mol Biol 2006. PMID 16845391)
借助于冷凍電鏡單顆粒技術(shù),科學(xué)家們使用Vitrobot等對(duì)病毒或者病毒的結(jié)構(gòu)蛋白進(jìn)行冷凍制樣后,借助于Krios電鏡及直接電子探測(cè)器,科學(xué)家可以迅速獲得樣品的大量高分辨率冷凍電鏡圖片。從這些圖片中,科學(xué)家們能清晰看見(jiàn)病毒表面的刺突糖蛋白(S蛋白)的結(jié)構(gòu)與分布等重要信息。在獲取足夠二維照片之后,科學(xué)家能進(jìn)一步借助Relion等三維重構(gòu)軟件包,迅速解析并獲得病毒高分辨率水平的三維結(jié)構(gòu)?;陔婄R技術(shù)展開(kāi)的病毒結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究,研究人員可以解析得到完整病毒顆粒及S蛋白等關(guān)鍵蛋白的分子結(jié)構(gòu),并可能捕獲病毒入侵細(xì)胞的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化過(guò)程。
我們可以通過(guò)科學(xué)家對(duì)同屬的SARS病毒S蛋白的分析研究,對(duì)未來(lái)新冠病毒研究提供簡(jiǎn)單科研線索。


S蛋白模擬圖(左)
利用Amira重構(gòu)的S蛋白電鏡圖像的三維結(jié)構(gòu)(右)
在這場(chǎng)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)疫中,賽默飛將與科學(xué)家并肩而行,提供疫情防控及藥物研發(fā)所需的解決方案。從藥物研發(fā)到大規(guī)模生產(chǎn),我們關(guān)注生物制藥的每一步,為打贏疫戰(zhàn)提供堅(jiān)實(shí)的科技基礎(chǔ)。