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(yán)重損失，其進化起源仍是一個謎。目前的研究結(jié)果提示，包括蝙蝠、穿山甲和水貂等在內(nèi)的野生動物可能是新冠病毒的自然宿主，經(jīng)過適應(yīng)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(zé)識別受體和介導(dǎo)膜融合，刺突蛋白在氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)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(guān)鍵分子，其分子進化是冠狀病毒實現(xiàn)跨物種傳播的關(guān)鍵因素。
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(jié)構(gòu)，其受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（receptor-binding domain, RBD）存在 “up”和“down”兩種構(gòu)象，而只有呈現(xiàn)“up”構(gòu)象的RBD才能夠結(jié)合ACE2受體。王新泉研究組發(fā)現(xiàn)RaTG13和 PCoV_GX刺突蛋白結(jié)構(gòu)中，其RBD只呈現(xiàn)出“down”的構(gòu)象（圖1a）。然而，進一步研究表明，PCoV_GX刺突蛋白與ACE2的結(jié)合能力與新冠病毒相當(dāng)，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(jié)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(dǎo)致RaTG13與新冠病毒在受體結(jié)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(jié)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(guān).1中均出現(xiàn)。
通過對RaTG13和PCoV_GX刺突蛋白與ACE2復(fù)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(dǎo)并穩(wěn)定PCoV_GX刺突蛋白上RBD的“up”構(gòu)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(gòu)象變化以及某些關(guān)鍵氨基酸位點的突變，對新冠病毒進化獲得強受體結(jié)合以及細胞侵染能力至關(guān)重要。
圖1 a. RaTG13和PCoV_GX刺突蛋白三維結(jié)構(gòu)；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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心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，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(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施的冷凍電鏡平臺和生物計算平臺完成，質(zhì)譜分析工作在代謝與脂質(zhì)組學(xué)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、蛋白質(zhì)科學(xué)教育部重點實驗室、科技部重大科學(xué)研究計劃專項、清華大學(xué)“春風(fēng)基金”的大力支持。
