9月14日,权威学术杂志《细胞》(Cell)在线发表中国学者题为“Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus”(新冠病毒分子结构)的研究成果,该研究以前所未有的分辨率解析了真实新冠病毒全病毒三维精细结构,并原位揭示了其刺突蛋白的天然构像和分布特征,以及核糖核蛋白复合物在病毒体内的结构及分子组装机制,对深入了解病毒的生物特性、疫苗设计、抗病毒药物研发等有重要意义。

全球首个揭示新冠病毒全病毒三维精细结构及核糖核蛋白复合物的分子组装

该成果由长于病毒学研究的浙江大学医学院附属第一医院传染病诊治国家重点实验室李兰娟院士课题组与长于结构生物学的清华大学生命学院李赛研究员课题组联合完成,第一作者为浙大一院姚航平、吴南屏研究员以及清华大学宋雨桐、陈勇、徐家璐,通讯作者是李兰娟院士和李赛研究员。

新冠病毒的分子结构及其组装机制  来源:浙大一院传染病诊治国家重点实验室(00:53)

此前,国际上对新冠病毒结构的研究聚焦于某个蛋白分子,该项研究首个揭示了真实的新冠病毒全病毒三维结构,重构出有代表性的3D模型,使“看不见的敌人”清晰地呈现。

冠状病毒因其表面日冕般的外围冠状得名,这些冠状物质叫“刺突蛋白”,是病毒进入人体细胞的“钥匙”,没有刺突蛋白,病毒就不具有感染性。目前,大多数对新冠病毒刺突蛋白的研究是体外重组的,而该研究直接在病毒上开展科研,原位解析了其天然构像和分布。科研人员发现,新冠病毒的刺突蛋白像“链锤”,可以摆动,上端粗、下端细,有助于病毒“抓住”细胞表面并入侵。

核糖核蛋白复合物则是病毒核酸与蛋白的结合体,病毒所有的遗传信息都在这里储存,可以调控病毒的生物特性。

新冠肺炎疫情是第二次世界大战结束后最严重的全球公共卫生突发事件。1月19日,浙大一院收治杭州第一例确诊病例,科学研究与临床救治同时启动。

李兰娟团队将从一名重症患者体内分离得到的病毒株在体外大量培养并有效灭活,利用冷冻电镜断层扫描技术持续对2294颗病毒粒子进行“高分辨率CT扫描”,在电镜下发现了病毒最清晰的真实结构,获得了病毒精确的尺寸大小与形态、表面刺突蛋白天然构像与分布、病毒内部核糖核蛋白复合物结构及组装形式等重要信息。病毒看上去像个太阳,形态与其他冠状病毒无异。

研究发现,冠状病毒表面的刺突蛋白懂得“自我保护”。如果把刺突蛋白比喻成伞,那么雨伞张开是“向上”,关闭是“向下”。刺突蛋白向上时,就像亮出武器,此时如人体细胞被刺中就面临感染危险。当刺突蛋白向下,就像收起兵器,以免被机体识别、击溃。研究发现,97%的新冠病毒刺突蛋白向下,这是它不易被抗体、药物等击败的原因之一。

新冠病毒的分子结构。SARS-CoV-2病毒体具有代表性的冷冻电镜断层成像照片(A);通过构建RBD“向下”(橙色)和1个RBD“向上”(红色)构像的融合前的S蛋白、脂质包膜(灰色)和核糖核蛋白复合物RNPs(黄色)的模型来重现SARS-CoV-2全病毒三维结构(B);精确计数了每个病毒粒子的刺突蛋白和RNP的数量(C); 揭示最具有代表性的RBD“向下”的S蛋白构像。

目前已在研制的基因工程疫苗都是基于体外重组表达的刺突蛋白的研究成果,这与病毒的原位状态是否存在差异?科研团队进一步通过质谱分析刺突蛋白的糖基化组成(“刺突蛋白”是一种糖蛋白),发现体外重组表达的刺突蛋白,与病毒原位状态刺突蛋白的糖基化修饰高度相似,这对灭活病毒疫苗、基因工程重组疫苗及中和抗体研发有重要的指导意义。

对新冠病毒内部结构核心——核糖核蛋白复合物,该研究也取得重要进展。

核糖核蛋白复合物RNPs的天然结构及其组装机制。显示RNP的两种不同类型的超微结构:六聚体(橙色框)和四聚体(红色框);七个RNP被包裹在病毒包膜内(灰色),形成“巢中蛋”形的六聚体组件,四个RNP被包装成无膜的四聚体组件(下);RNP六聚体组装成球形病毒,四聚体组装成椭球型病毒。

早前的研究发现,新冠病毒的核糖核酸长度是同类病毒中最长的,达到病毒自身直径的100倍。那么,病毒如何使这么长的核糖核酸不纠缠、不打结、不断裂,完好装进体内?科研团队揭示了病毒腔内核糖核蛋白复合物天然结构及其组装机制,阐明病毒如何在80纳米管腔内组装和堆积单股长达30Kb(千碱基)的核糖核酸。

原来,这些复合物像串珠一样把核糖核酸组织在一起,并在病毒体内有序排列,解决了在有限空间收纳超过自身容量核糖核酸的难题,还加固了病毒本身结构,使它能经受人体外复杂环境中各种理化因素破坏的挑战,这也是解释病毒可长期在外环境存活的一个重要因素。