生命學院王新泉課題組解析蝙蝠冠狀病毒RaTG13和穿山甲冠狀病毒PCoV_GX刺突蛋白結構，為理解新冠病毒的進化提供線索
新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）對公共健康和社會經(jīng)濟發(fā)展造成了嚴重損失，其進化起源仍是一個謎。目前的研究結果提示，包括蝙蝠、穿山甲和水貂等在內的野生動物可能是新冠病毒的自然宿主，經(jīng)過適應性和積累突變，新冠病毒可能通過其他動物宿主（中間宿主）最終傳播到人，而我們對其跨物種傳播途徑和進化分子機制目前也知之甚少。冠狀病毒表面的刺突蛋白（spike）在病毒進入宿主細胞過程中負責識別受體和介導膜融合，刺突蛋白在氨基酸序列和三維結構水平上的分子進化影響其對不同物種受體的識別，因而刺突蛋白是冠狀病毒進化過程中的關鍵分子，其分子進化是冠狀病毒實現(xiàn)跨物種傳播的關鍵因素。
冠狀病毒RaTG13從中國云南省中華菊頭蝠中分離，是目前已知與新冠病毒基因組序列最接近的冠狀病毒（序列一致性96.2%）。在廣西省和廣東省查獲的境外走私穿山甲樣品中發(fā)現(xiàn)的多株冠狀病毒（Pangolin coronavirus, PCoV)，其基因組與新冠病毒基因組序列一致性也達到了85.5% -92.4%。2021年3月11日，清華大學生命科學學院王新泉教授課題組報道了RaTG13和PCoV_GX刺突蛋白的冷凍電鏡結構。結構比較、序列比對和一系列生化和假病毒侵染實驗結果，為深入理解新冠病毒通過刺突蛋白進化獲得強感染力的分子機制提供了重要的結構信息。
此項研究之前，多個研究組報道了新冠病毒刺突蛋白的三維空間結構，其受體結合結構域（receptor-binding domain, RBD）存在 “up”和“down”兩種構象，而只有呈現(xiàn)“up”構象的RBD才能夠結合ACE2受體。王新泉研究組發(fā)現(xiàn)RaTG13和 PCoV_GX刺突蛋白結構中，其RBD只呈現(xiàn)出“down”的構象（圖1a）。然而，進一步研究表明，PCoV_GX刺突蛋白與ACE2的結合能力與新冠病毒相當，且其假病毒也具有侵染細胞的能力；而RaTG13刺突蛋白與ACE2的結合能力和其假病毒侵染細胞能力都很弱（圖1b）。通過定點突變、親和力測定以及假病毒侵染實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)刺突蛋白RBD上第449位，501位和505位的氨基酸變化是導致RaTG13與新冠病毒在受體結合及假病毒侵染能力差異的重要位點（圖1c）。RaTG13 刺突蛋白RBD上 D501N突變對其ACE2親和力影響最大，結合能力提高了~9倍。值得注意的是，新冠病毒刺突蛋白RBD上同樣位點的氨基酸變化（N501Y）在新冠病毒英國突變株B1.1.7、南非突變株B.1.351和巴西突變株P.1中均出現(xiàn)。通過對RaTG13和PCoV_GX刺突蛋白與ACE2復合物的負染電鏡研究，研究人員還發(fā)現(xiàn)ACE2的出現(xiàn)能夠誘導并穩(wěn)定PCoV_GX刺突蛋白上RBD的“up”構象，而對RaTG13刺突蛋白則沒有作用。以上研究共同提示，刺突蛋白RBD的靈活構象變化以及某些關鍵氨基酸位點的突變，對新冠病毒進化獲得強受體結合以及細胞侵染能力至關重要。
圖1 a. RaTG13和PCoV_GX刺突蛋白三維結構；b. SARS-CoV-2, RaTG13和PCoV_GX假病毒入侵細胞的效率；c. SARS-CoV-2與RaTG13 RBD上導致與受體親和力差異的重要氨基酸位點
該研究工作在《自然通訊》（Nature Communications）上發(fā)表，題為《蝙蝠和穿山甲冠狀病毒刺突蛋白的結構為SARS-CoV-2的進化提供了線索》 (Bat and pangolin coronavirus spike glycoprotein structures provide insights into SARS-CoV-2 evolution)。清華大學生命科學學院王新泉教授為本文的通訊作者，王新泉教授課題組博士生張姝媛、譙淑元、余錦芳和曾建偉博士為主要工作完成者，醫(yī)學院張林琦教授課題組博士生單思思完成假病毒侵染實驗。電鏡數(shù)據(jù)采集和計算工作在國家蛋白質科學研究（北京）設施的冷凍電鏡平臺和生物計算平臺完成，質譜分析工作在代謝與脂質組學平臺完成。本工作獲得北京市結構生物學高精尖創(chuàng)新中心、北京市生物結構前沿研究中心、蛋白質科學教育部重點實驗室、科技部重大科學研究計劃專項、清華大學“春風基金”的大力支持。
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