重大突破！ 清華大學(xué)李賽團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)李蘭娟團(tuán)隊(duì) 合作解析出新冠病毒全病毒三維結(jié)構(gòu)
● 亮點(diǎn)導(dǎo)讀
1. 冷凍電鏡斷層成像及子斷層圖像平均重構(gòu)技術(shù)首次從內(nèi)到外地揭示了真實(shí)新型冠狀病毒的全病毒三維結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將在電子顯微鏡數(shù)據(jù)庫(kù)公開(kāi)，對(duì)疫苗及抗體研發(fā)、疫情防控宣傳、科普教育、分子動(dòng)力學(xué)模擬等具有十分重要作用。
2. 原位解析了新型冠狀病毒表面刺突蛋白的天然構(gòu)像和分布，對(duì)疫苗研制及抗病毒藥物研發(fā)具有重要科學(xué)意義。
3. 通過(guò)質(zhì)譜分析了病毒刺突蛋白的原位糖基化組成，對(duì)滅活病毒疫苗或是體外重組疫苗的研發(fā)以及抗體治療具有重要的指導(dǎo)意義。
4.開(kāi)創(chuàng)性地揭示了新冠病毒核糖核蛋白復(fù)合物RNP的天然結(jié)構(gòu)及其分子組裝機(jī)制。
全球首次從內(nèi)到外完整揭示新冠病毒全病毒精細(xì)結(jié)構(gòu)
截止9月15日，新冠肺炎“大流行”已在全球造成近3千萬(wàn)人感染，近百萬(wàn)人死亡，給全球經(jīng)濟(jì)、人民生活等各方面造成巨大影響。然而，引發(fā)疫情的罪魁禍?zhǔn)仔滦凸跔畈《?，卻仍然是個(gè)“看不見(jiàn)的敵人”?？床灰?jiàn)，便缺少畏懼。這也許是在全球眾多疫情高發(fā)區(qū)，人員仍然集會(huì)、參加派對(duì)的原因。只有獲得新冠病毒的真實(shí)模樣，才能警醒公眾意識(shí)，促進(jìn)疫情防控?？箵粜鹿谝咔?，開(kāi)發(fā)疫苗及抗體等治療手段，更離不開(kāi)對(duì)病毒結(jié)構(gòu)的了解。
近日，清華大學(xué)生命學(xué)院李賽研究員課題組和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李蘭娟院士課題組緊密合作，利用冷凍電鏡斷層成像和子斷層平均重構(gòu)技術(shù)成功解析了新冠病毒（SARS-CoV-2）全病毒三維結(jié)構(gòu)，這一重要研究成果于北京時(shí)間2020年9月15日以 “新冠病毒的全分子結(jié)構(gòu)”（Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus）為題在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》雜志上在線發(fā)表。
首次解析新冠全病毒分子結(jié)構(gòu)
這項(xiàng)研究首次解析了新冠病毒全病毒的高分辨率分子結(jié)構(gòu)，使世界對(duì)新冠病毒的認(rèn)識(shí)更近一步，為抗擊疫情、治療新冠肺炎打下堅(jiān)實(shí)全面的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在這項(xiàng)研究中，浙大團(tuán)隊(duì)提供了經(jīng)嚴(yán)格滅活、含有新冠病毒的細(xì)胞培養(yǎng)液，保證了樣品的天然結(jié)構(gòu)。清華團(tuán)隊(duì)在二級(jí)實(shí)驗(yàn)室提純濃縮病毒后，使用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的高通量、高分辨冷凍電鏡斷層成像技術(shù)（cryo-ET），采集了100TB數(shù)據(jù)、篩選出2294顆病毒顆粒（目前已知的關(guān)于新冠病毒最大的cryo-ET數(shù)據(jù)集），并重構(gòu)出一顆具有代表性的完整的病毒三維結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)7.8-11Å。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，新冠病毒囊膜平均直徑約80納米，表面約有30個(gè)刺突蛋白，內(nèi)部約有30個(gè)核糖核蛋白復(fù)合物。
新冠病毒結(jié)構(gòu)及冷凍電鏡斷層圖像
原位狀態(tài)下深度分析刺突蛋白結(jié)構(gòu)
新冠病毒的“皇冠”特征，來(lái)源于它表面的刺突蛋白，凸起于病毒表面，是其侵入人體細(xì)胞的“鑰匙”，目前大多數(shù)疫苗和抗體的研發(fā)均聚焦于該蛋白。
該研究解析出處于融合前狀態(tài)及融合后狀態(tài)的三種不同構(gòu)象刺突蛋白結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，刺突蛋白在病毒表面呈隨機(jī)分布，且可自由擺動(dòng)，類似于古代武器“鏈錘”，這種靈活的特性有利于“鑰匙”及時(shí)調(diào)整方向，同細(xì)胞上更多的“鎖”（受體）結(jié)合而增加侵染細(xì)胞幾率。刺突蛋白也很脆弱，滅活和提純方式不當(dāng)可能導(dǎo)致其部分、甚至完全脫落，產(chǎn)生不正常的“禿”病毒。
刺突蛋白表面有多達(dá)66個(gè)糖基化修飾，這些糖像盾牌一樣保護(hù)病毒不被免疫識(shí)別。此前未有對(duì)病毒上天然狀態(tài)下糖基化修飾的詳細(xì)研究。在清華大學(xué)蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)的幫助下，該問(wèn)題得到詳細(xì)解答：相比于重組刺突蛋白，原位的糖基更大也更復(fù)雜，但總體而言相似性較大，這種相似性保證了重組刺突蛋白研發(fā)疫苗工作的有效性。
開(kāi)創(chuàng)性揭示核糖核蛋白復(fù)合物天然結(jié)構(gòu)
新冠病毒的所有遺傳信息都編碼在其核糖核酸（RNA）上。病毒想要“繁衍”下一代，就必須保護(hù)好這根“生命之源”。冠狀病毒的RNA是所有已知RNA病毒中最長(zhǎng)的，其直線長(zhǎng)度可達(dá)自身直徑的100倍。如何把這根核酸“長(zhǎng)繩”完整有序地纏繞進(jìn)僅有數(shù)十納米直徑的體內(nèi)，是所有病毒都要費(fèi)勁兒解決的幾何難題。這個(gè)重任主要落在核蛋白上，它像線軸一樣收納RNA，將其有序纏繞，并組裝成稱為核糖核蛋白復(fù)合物（RNP）的高級(jí)結(jié)構(gòu)，才能將RNA完整塞進(jìn)體內(nèi)。在病毒發(fā)生膜融合及去組裝后，它又能有條不紊的釋放RNA。這個(gè)包裝方法及過(guò)程，不僅對(duì)于新冠病毒是個(gè)未解之謎，甚至在所有正義單鏈RNA病毒中也是幾何謎題。
李賽課題組對(duì)病毒內(nèi)近30000顆RNP進(jìn)行了挑選和分析，開(kāi)創(chuàng)性地展示了病毒腔內(nèi)核糖核蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)及組裝機(jī)制。該復(fù)合物像串珠一樣將RNA組織在一起，并在病毒體內(nèi)呈現(xiàn)六聚“鳥(niǎo)巢”型和正四面體“金字塔”型兩種局部排列，有序地收納了RNA這根“長(zhǎng)繩”，還增加了病毒在復(fù)雜環(huán)境中經(jīng)受物理挑戰(zhàn)的能力。這是世界范圍內(nèi)首次“看清”正義單鏈RNA病毒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
學(xué)界及社會(huì)反饋
這一真實(shí)的病毒三維圖像讓“看不見(jiàn)的敵人”清晰地展現(xiàn)在世人面前，首次讓世界看到新冠病毒全病毒結(jié)構(gòu)。這一成果對(duì)疫苗及抗體研發(fā)、疫情防控宣傳、科普教育等均有重要意義。其中一位審稿人在評(píng)審意見(jiàn)里稱贊道：“這項(xiàng)工作展示了迄今為止我所見(jiàn)過(guò)的最完整新冠病毒形象，這也是使用冷凍電鏡斷層成像方法解析完整顆粒結(jié)構(gòu)的一次絕妙的應(yīng)用……”。法國(guó)科學(xué)院院士、著名結(jié)構(gòu)病毒學(xué)家Felix A.Rey教授來(lái)信祝賀道：“這是一個(gè)里程碑式的工作”。成果公開(kāi)以來(lái)，被國(guó)內(nèi)多家主要媒體報(bào)道，截止9月16日，閱讀量近9000萬(wàn)，一度排名當(dāng)日微博熱搜前十名。并受到包括紐約時(shí)報(bào)、BBC、CellPress細(xì)胞出版社新聞部在內(nèi)的眾多國(guó)外媒體及記者咨詢，希望獲得關(guān)于該全病毒結(jié)構(gòu)的更多信息。
李賽課題組
李賽研究員課題組從2018年建立至今才短短兩年，能在三個(gè)月內(nèi)完成這一世界級(jí)重大成果，得益于合作者李蘭娟院士團(tuán)隊(duì)高質(zhì)量的樣品供應(yīng)，也源自他十多年如一日?qǐng)?jiān)持在囊膜病毒研究領(lǐng)域，并深耕于冷凍電鏡斷層成像技術(shù)的開(kāi)發(fā)，是國(guó)內(nèi)難得的既熟悉囊膜病毒，又擁有先進(jìn)冷凍電鏡斷層成像技術(shù)的青年科學(xué)家。疫情攻關(guān)期間，他親自帶學(xué)生做實(shí)驗(yàn)、解結(jié)構(gòu)，推進(jìn)項(xiàng)目迅速完成。他常教育自己的學(xué)生：作為病毒科研工作者，既要有在太平時(shí)期‘甘坐冷板凳’的決心，也要有在重大疫情期間挺身而出的勇氣！
李賽研究員（清華大學(xué)）為本文的第一通訊作者（lead contact），李蘭娟院士（浙江大學(xué)）為本文的共同通訊作者。姚航平（浙江大學(xué)）、宋雨桐（清華大學(xué)博士生）、陳勇（清華大學(xué)博士后）、吳南屏（浙江大學(xué)）、徐家璐（清華大學(xué)博士生）為并列第一作者。另外，李賽課題組的孫楚杰，張佳星，張哲源也參與了該工作。同時(shí)，該項(xiàng)工作得到了多位結(jié)構(gòu)及病毒學(xué)專家的大力協(xié)助，包括清華大學(xué)施一公院士、英國(guó)南安普頓大學(xué)Max Crispin教授、清華大學(xué)雷建林博士。項(xiàng)目的順利開(kāi)展，離不開(kāi)王宏偉教授、顏寧教授、王新泉教授、張林琦教授、丁強(qiáng)教授、李雪明教授的支持和討論。特別感謝清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)，生物計(jì)算平臺(tái)，蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)的支持。研究工作得到了清華大學(xué)人才啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)，北京高精尖結(jié)構(gòu)生物學(xué)創(chuàng)新中心，清華-北大生命聯(lián)合中心的支持。
李賽課題組新冠課題攻關(guān)團(tuán)隊(duì)合影
9月16日，李賽參與法國(guó)巴斯德所的漢塔病毒結(jié)構(gòu)工作也在Cell上線
值得一提的是，在新冠文章上線的第二天，李賽參與的另外一個(gè)新發(fā)型致病囊膜病毒結(jié)構(gòu)工作也在Cell上線。該工作結(jié)合X-射線晶體學(xué)及冷凍電鏡斷層成像技術(shù)解析多個(gè)晶體結(jié)構(gòu)及病毒原位結(jié)構(gòu)，開(kāi)創(chuàng)性的構(gòu)建了漢塔病毒刺突蛋白包括胞外段和跨膜區(qū)的近全長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。李賽指導(dǎo)博士生、并親自參與了部分電鏡樣品制備、數(shù)據(jù)采集及結(jié)構(gòu)計(jì)算工作。這一重要研究成果于北京時(shí)間2020年9月16日以 “漢塔病毒表面糖蛋白網(wǎng)格及其膜融合受控機(jī)制”（The Hantavirus Surface Glycoprotein Lattice and Its Fusion Control Mechanism）為題在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》雜志上在線發(fā)表。
新冠病毒文章鏈接及DOI：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31159-4
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.018
漢塔病毒文章鏈接及DOI：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31064-3
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.023
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