周強(qiáng)

近日，西湖大學(xué)周強(qiáng)實驗室利用冷凍電鏡技術(shù)成功解析此次新冠病毒的受體——ACE2的全長結(jié)構(gòu)。這是世界上首次解析出ACE2的全長結(jié)構(gòu)。

相關(guān)研究內(nèi)容于北京時間2月19日凌晨3點左右在預(yù)印版平臺bioRxiv上線。這也是西湖大學(xué)承擔(dān)的浙江省新型冠狀病毒肺炎防治應(yīng)急科研攻關(guān)任務(wù)的重要成果。

新型冠狀病毒感染引發(fā)的肺炎疫情爆發(fā)后，武漢病毒研究所的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，新型冠狀病毒和2003年的SARS病毒一樣，也是通過識別ACE2蛋白進(jìn)入人體細(xì)胞的，ACE2是“新冠病毒”侵入人體的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，在SARS病毒和“新冠病毒”侵入人體的過程中，ACE2就像是“門把手”，病毒抓住它，從而打開了進(jìn)入細(xì)胞的大門。

ACE2-B0AT1復(fù)合物的冷凍電鏡密度圖

此前，曾有研究解析出ACE2的一個胞外結(jié)構(gòu)域與SARS病毒S蛋白形成的復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)。

最近美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究團(tuán)隊又展示了新冠病毒的S蛋白結(jié)構(gòu)。然而，ACE2到底在細(xì)胞膜上是以什么狀態(tài)存在?新冠病毒對比SARS病毒與ACE2結(jié)合有何異同?獲取ACE2的全長蛋白及其與S蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，將大大有助于解答上述疑問。

ACE2-B0AT1復(fù)合物結(jié)構(gòu)圖

周強(qiáng)實驗室針對這個問題進(jìn)行了攻堅。

第一步，他們要獲取ACE2蛋白全長蛋白，但作為膜蛋白的ACE2本身很難在體外穩(wěn)定獲得。周強(qiáng)及博士后鄢仁鴻在文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)ACE2與腸道內(nèi)的一個氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白B0AT1能夠形成復(fù)合物。根據(jù)他們過去的研究經(jīng)驗，這個復(fù)合物極有可能穩(wěn)定住ACE2。

果然，他們通過共表達(dá)的方法獲得了ACE2與B0AT1優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的復(fù)合物，并利用西湖大學(xué)的冷凍電鏡平臺成功解析了其三維結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)到2.9埃，對于病毒識別至關(guān)重要的胞外結(jié)構(gòu)域分辨率為2.7埃。

ACE2-B0AT1復(fù)合物和之前解析復(fù)合物(SARS-CoV的S蛋白與ACE2的PD結(jié)構(gòu)域的復(fù)合物)的比較，兩種復(fù)合物通過PD結(jié)構(gòu)域錨定在一起。

通過分析ACE2的全長蛋白結(jié)構(gòu)，周強(qiáng)實驗室發(fā)現(xiàn)ACE2以二聚體形式存在，同時具有開放和關(guān)閉兩種構(gòu)象變化，但兩種構(gòu)象均含有與冠狀病毒的相互識別界面。

這一研究發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步解析全長ACE2和新冠病毒的S蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。而這個工作本身為理解新冠病毒侵染細(xì)胞提供了很多有趣的線索。

比如，ACE2的二聚體與新冠病毒S蛋白的三聚體是否可以發(fā)生更高層級的交聯(lián)，從而促進(jìn)病毒與宿主細(xì)胞膜的融合或者內(nèi)吞?之前有研究表明ACE2的胞外區(qū)如果被切割，將會更有效地促進(jìn)冠狀病毒的侵染，但是ACE2與B0AT1的復(fù)合物結(jié)構(gòu)顯示B0AT1的存在有可能阻礙蛋白酶靠近這個切割位點，這是否解釋了病毒侵染癥狀主要發(fā)生在沒有B0AT1的肺部?

這一系列通過結(jié)構(gòu)研究揭示的問題有待未來多學(xué)科探索。

“總體而言，ACE2全長結(jié)構(gòu)的解析，將有助于理解冠狀病毒進(jìn)入靶細(xì)胞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和功能特征，對發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化阻斷進(jìn)入細(xì)胞的抑制劑有重要作用”，清華大學(xué)全球健康與傳染病研究中心主任張林琦教授說。

周強(qiáng)(右)和鄢仁鴻(左)

此文的第一作者為西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后鄢仁鴻，通訊作者為西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員周強(qiáng)。第一單位和通訊單位均為西湖大學(xué)浙江省結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究重點實驗室。本項工作得到了西湖大學(xué)冷凍電鏡平臺和超算中心的大力支持。

什么是“結(jié)構(gòu)生物學(xué)”?

所謂“眼見為實”，結(jié)構(gòu)生物學(xué)將構(gòu)成我們身體、支持我們生命活動的生物大分子(蛋白質(zhì)、核酸)從結(jié)構(gòu)角度揭示出來，搞清楚它們?nèi)绾握９ぷ?，而它們的異常又是如何?dǎo)致病變的。

該領(lǐng)域的研究不僅可以解決一系列生命領(lǐng)域重大基礎(chǔ)科學(xué)問題，還可以幫助科學(xué)家根據(jù)疾病相關(guān)分子的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計藥物，不斷提高人類的生活質(zhì)量。

2019年，浙江省結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究重點實驗室獲批成立，施一公擔(dān)任實驗室主任。