清華大學(xué)王新泉課題組解析豬源SADS-CoV及蝙蝠HKU2冠狀病毒刺突蛋白三維結(jié)構(gòu)揭示冠狀病毒的進(jìn)化路徑
2020年6月17日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王新泉教授研究組在《自然通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表題為《HKU2和SADS-CoV刺突蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)為冠狀病毒的進(jìn)化提供了線索》（Cryo-EM structures of HKU2 and SADS-CoV spike glycoproteins provide insights into coronavirus evolution）的研究論文。豬冠狀病毒SADS-CoV于2017年在中國廣東的幾家豬場被發(fā)現(xiàn)，其基因組與蝙蝠冠狀病毒HKU2的同源性約為95%。本文報道了HKU2和SADS-CoV刺突蛋白三聚體2.38 A和2.83 A辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖一），并系統(tǒng)地比較了HKU2/SADS-CoV與其他α、β、γ和δ冠狀病毒刺突蛋白中的各個結(jié)構(gòu)域，表明HKU2/SADS-CoV的NTD和CTD分別代表了冠狀病毒刺突蛋白的原始特征。這些結(jié)果在結(jié)構(gòu)上揭示了HKU2/SADS-CoV（屬于α冠狀病毒屬）與β冠狀病毒屬之間的密切進(jìn)化關(guān)系，為冠狀病毒的進(jìn)化和跨物種傳播提供了重要的線索。
冠狀病毒包括α、β、γ和δ四個屬，在人類、其他哺乳動物和鳥類中的感染可引起不同程度的呼吸、消化和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。人SARS、MERS和新型冠狀病毒的傳播對全球健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。冠狀病毒感染也是家畜養(yǎng)殖業(yè)的重要威脅，以豬流行性腹瀉病毒（PEDV）為代表的豬冠狀病毒每周奪去10萬只仔豬的生命，同時新型豬冠狀病毒也在不斷被發(fā)現(xiàn)，例如2017年分離的豬急性腹瀉綜合征冠狀病毒（SADS-CoV，又稱SeACoV和PEAV）在中國廣東省的幾家養(yǎng)豬場引起了仔豬嚴(yán)重水樣腹瀉，死亡率高達(dá)90%，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。SADS-CoV是一種α屬冠狀病毒，在α屬中具有代表性的成員有豬流行性腹瀉病毒（PEDV）、豬傳染性胃腸炎冠狀病毒（TGEV）、豬呼吸道冠狀病毒（PRCV）、貓傳染性腹膜炎病毒（FIPV）、人NL63和229E冠狀病毒（HCoV-NL63和HCoV-229E）；β屬的代表性成員包括小鼠肝炎冠狀病毒（MHV）、牛冠狀病毒（BCoV）、SARS-CoV、MERS-CoV、HCoV-OC43、HCoV-HKU1和新型冠狀病毒；γ屬的代表是禽傳染性支氣管炎病毒（IBV）；δ屬的代表是豬源deltacoronavirus（PdCoV）。
通過基因重組和/或突變促進(jìn)的跨物種傳播是冠狀病毒宿主范圍擴(kuò)大的基礎(chǔ)。蝙蝠是多種不同的α-和β-冠狀病毒的自然宿主，它們通過重組和/或突變帶來巨大的種間傳播潛力。有關(guān)基因進(jìn)化、受體結(jié)合和發(fā)病機(jī)制的數(shù)據(jù)表明，人類SARS-CoV-2、SARS-CoV和MERS-CoV最有可能來源于蝙蝠。新鑒定的豬SADS-CoV與蝙蝠冠狀病毒HKU2的序列同源性約為95%，這也進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了冠狀病毒跨種傳播的嚴(yán)重后果。
SADS-CoV刺突蛋白（1130個氨基酸殘基）和HKU2刺突蛋白（1128個氨基酸殘基）是最短的冠狀病毒刺突蛋白之一，它們與其他已知冠狀病毒刺突蛋白的氨基酸序列同源性低于28%，表明HKU2和SADS-CoV在進(jìn)化中的特殊性。通過原子分辨率水平的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)測定和比較，王新泉實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)α-冠狀病毒刺突蛋白NTD有兩種亞型，HKU2/SADS-CoV的NTD屬于I亞型，而HCoV-229E的NTD屬于II亞型，這兩個亞型代表了NTD的原始結(jié)構(gòu)，可能是其他屬冠狀病毒NTD的進(jìn)化祖先。HKU2/SADS-CoV的CTD是一個包含5個反向排列strand的單層β-sheet，β-冠狀病毒的CTD也具有類似的單層核心結(jié)構(gòu)，目前已知的β-冠狀病毒CTD的受體結(jié)合序列都在一個插入核心結(jié)構(gòu)中的受體結(jié)合區(qū)（receptor-binding motif，RBM）內(nèi)，但RBM在HKU2/SADS-CoV的 CTD中被一段短loop取代（圖二）。該結(jié)果說明HKU2/SADS-CoV的CTD代表單層CTD的原始結(jié)構(gòu)，而β-冠狀病毒中RBM的插入可能是進(jìn)化過程中重組事件的結(jié)果。值得注意的是，來自其他α-冠狀病毒、γ-冠狀病毒IBV和δ-冠狀病毒PdCoV的CTD均由兩層β-sheet組成的雙層亞型（圖二）。這些結(jié)果進(jìn)一步證明HKU2可能是α-冠狀病毒基因組骨架與未鑒別的原始β-冠狀病毒的刺突蛋白基因進(jìn)行重組的結(jié)果。
通過比較HKU2和SADS-CoV與其他冠狀病毒刺突蛋白的結(jié)構(gòu)，王新泉實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)在進(jìn)化過程中，多個NTD可以重組進(jìn)入同一個冠狀病毒中（主要表現(xiàn)在α-冠狀病毒），額外的loop區(qū)可以重組進(jìn)入NTD的核心結(jié)構(gòu)，受體結(jié)合區(qū)（RBM）可以重組進(jìn)入CTD的核心結(jié)構(gòu)。這些現(xiàn)象表明，結(jié)構(gòu)域在進(jìn)化過程中可以逐漸招募新的亞結(jié)構(gòu)域，以進(jìn)行跨物種傳播并適應(yīng)不同的宿主免疫系統(tǒng)，為病毒與宿主的協(xié)同進(jìn)化提供了一個生動的例子。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王新泉教授研究組的博士生余錦芳為本文第一作者，譙淑元和郭潤域?yàn)楣餐髡撸跣氯淌跒橥ㄓ嵶髡摺ｋ婄R數(shù)據(jù)采集和計(jì)算工作在國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施的冷凍電鏡平臺和生物計(jì)算平臺完成。本工作獲得北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、北京市生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、清華大學(xué)自主科研基金、蛋白質(zhì)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金等的大力支持。
圖一、HKU2和SADS-CoV的刺突蛋白三維結(jié)構(gòu)
圖二、HKU2與其他種屬冠狀病毒CTD的比較
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16876-4#Ack1
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