科学家揭示MERS-CoV和SARS-CoV刺突蛋白的结构与功能

日前，中国科学院微生物研究所研究员高福、施一和生物物理研究所研究员章新政合作，解析了近原子分辨率的MERS-CoV和SARS-CoV三聚体刺突蛋白（Spike glycoprotein，S）的电镜结构，与之前发表的其它冠状病毒S蛋白相比，他们发现这两种高致病性病毒存在自由的受体结合区，更有利于S蛋白和宿主受体的结合，并为后续广谱性抗体和疫苗设计提供了关键的三维结构图谱。相关研究成果4月10日在线发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。

中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）是重症急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）之后出现的又一个高致病性冠状病毒，已波及全球多个国家和地区，成为威胁世界公共卫生安全的又一严峻挑战。病毒侵入宿主始于病毒表面蛋白与宿主细胞表面特异性受体之间的相互作用。在MERS-CoV、SARS-CoV中，病毒囊膜上的刺突蛋白负责结合受体，决定病毒入侵宿主的能力及组织特异性，是开发预防及治疗冠状病毒引发疾病的药物或疫苗的重要靶向物。

研究人员利用单颗粒冷冻电镜技术解析了近原子分辨率的MERS-CoV和SARS-CoV 三聚体S蛋白的融合前构象结构，分辨率分别为3.7Å和3.2Å。这两种高致病性冠状病毒三聚体S蛋白整体结构与已报道的冠状病毒类似，但其受体结合区（RBD）与其他冠状病毒有明显差异。研究者捕获到MERS-CoV和SARS-CoV两种状态的RBD，一种是包埋状(buried)（即为横卧状态，lying state），另一种是暴露状（exposed）（即站立状态，standing state）。已报道的冠状病毒RBD几乎都是包埋状；而MERS-CoV和SARS-CoV均存在暴露状，这种状态的RBD有利于受体的结合，为病毒与细胞表面受体结合机制的阐明提供了理论基础。

另外，研究人员利用X射线晶体学方法首次解析了MERS-NTD和SARS-NTD的结构。S蛋白的N端结构域（N-terminal domain, NTD）在一些冠状病毒中可以结合糖或者受体分子，帮助病毒对宿主细胞的粘附和入侵。但是MERS-NTD和SARS-NTD的结构与功能此前却不清楚。该研究发现这两种病毒NTD独特的糖结合区决定它们不能像有些冠状病毒NTD一样结合糖分子来完成病毒对细胞的粘附作用。此外，S蛋白的NTD和RBD在结构上相邻，因此NTD也有作为中和性抗体作用靶点的潜力。

对感染人的六种冠状病毒序列保守性分析发现，融合肽、七肽重复区1（HR1）以及中心螺旋作为相对保守且易于接近的区域，是寻找开发广谱性中和性抗体和抑制剂的理想位点。全长S蛋白三聚体结构的解析对于认知MERS-CoV和SARS-CoV的致病机制具有重要的理论意义，对于靶向病毒侵入过程的特异性药物研发和疫苗设计的实践也至关重要。

中国科学技术大学与中科院微生物所联合培养博士生袁园，生物物理所博士曹端方，微生物所博士研究生、天津工业生物技术研究所助理研究员张艳芳，生物物理所博士马军为论文共同第一作者。高福、施一、章新政为论文共同通讯作者。该项研究得到了中科院战略性先导项目、国家“973”计划、国家自然科学基金优秀青年基金、中组部青年千人计划、国家重点研究和发展计划等项目的资助。

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图1：MERS-CoV和SARS-CoV S三聚体与受体结合模型图。（a）MERS-CoV S三聚体和受体CD26，（b）SARS-CoV S 三聚体和受体ACE2。

图2：MERS-CoV和SARS-CoV S蛋白的N-连接糖基化分析和针对人冠状病毒可能的抗病毒策略。（a）MERS-CoV S蛋白的N-连接糖基化，（b）SARS-CoV S蛋白的N-连接糖基化，（e-f）人冠状病毒序列保守性分析。