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新冠病毒長這樣!浙大一院李蘭娟院士團隊與清華大學李賽研究團隊聯合在國際權威雜志《細胞》重磅揭示國際首個新冠病毒全病毒精細結構

2020-09-16613


新冠肺炎疫情已成為二戰結束后最嚴重的全球公共衛生突發事件,科學家們也一直致力于揭開它的神秘面紗:新冠病毒為什么傳染性這么強?它究竟長什么樣?人類如何戰勝它?


全球首個揭示新冠病毒全病毒三維精細結構及核糖核蛋白復合物的分子組裝

疫情發生之初,李蘭娟院士便帶領團隊開展病毒生物學研究,一方面,研究人員想要弄清楚新冠病毒與其他冠狀病毒和普通的流感病毒等在結構上是否有區別,另一方面,研發疫苗同樣也需要對病毒精細結構解析。于是,依托浙大一院傳染病國家醫學中心領先全國的病毒學研究能力與清華大學生命科學學院強大的結構生物學基礎,雙方強強聯合,歷時4個半月開展科研攻關,取得重大突破。

想要解析全病毒精細結構實屬不易!進行病毒學研究,需要對病毒進行有效滅活,這一過程中化學滅活劑不恰當使用有可能破壞病毒結構,如何既實現病毒的有效滅活又保證結構完整性?科研團隊使出“秘密武器”,利用特殊制樣技術解決這一難題。
自2020年1月19日,浙大一院收治杭州市**例確診病例,科學研究就與臨床救治同時啟動了。李蘭娟院士團隊通過將一名重癥患者體內分離得到的病毒株在體外大量培養并有效滅活,利用冷凍電鏡斷層掃描技術持續對2294顆病毒粒子進行了“高分辨率CT掃描”,從而在電鏡下發現了病毒最清晰的真實結構,看上去就像一個太陽一樣,形態與其他的冠狀病毒并無異,獲得了病毒精確的尺寸大小與形態、表面刺突蛋白天然構象與分布、病毒內部核糖核蛋白復合物結構及組裝形式等重要信息。


 


在此之前,國際上對新冠病毒結構的研究大都聚焦于某一個蛋白分子,該研究在國際上首個成功揭示了真實的新冠病毒全病毒三維結構,并重構出一個具有代表性的、目前國際上最清晰的3D病毒模型,使“看不見的敵人”清晰地展現在世人面前,對疫苗及抗體研發、抗病毒藥物設計及篩選、疫情防控宣傳、科普教育等均有十分重要意義。

冠狀病毒因其如日冕般外圍的冠狀而得名,病毒表面的這些冠狀物質叫做刺突蛋白,是一種糖蛋白,也是我們能看到的最直觀的病毒結構。它的作用就是感染細胞,可以說是病毒進入人體細胞的“鑰匙”,如果沒有了刺突蛋白,病毒也就不具有感染性了。
目前大多數對新冠病毒刺突蛋白的研究都是體外重組的,而該研究直接在病毒上開展科研工作,原位解析了新型冠狀病毒表面刺突蛋白的天然構像和分布??蒲腥藛T發現,新冠病毒的刺突蛋白就像“鏈錘”一樣可以在病毒表面自由擺動,上端粗、下端細,這種特性有助于病毒能靈活“抓住”細胞表面,與之結合入侵細胞,感染人體。
可能新冠病毒也意識到自己已成為全人類的健康公敵,科研人員還發現,它的刺突蛋白的朝向也很有趣,懂得“自我保護”。如果把刺突蛋白比喻成一把傘,雨傘張開被稱為“向上”,雨傘關閉被稱為“向下”,當刺突蛋白向上時,它就像亮出了自己的武器一樣,大喊著“我要去感染細胞了!”此時,如果人體細胞不幸被刺中,那么就面臨感染的危險。而當刺突蛋白向下,它就像收起兵器,以免被機體識別擊潰。研究發現,新冠病毒的刺突蛋白97%都是向下的,這也就成為它不易被抗體及藥物等擊敗的原因之一。



新冠病毒的分子結構。SARS-CoV-2病毒體具有代表性的冷凍電鏡斷層成像照片(A);通過構建RBD“向下”(橙色)和1個RBD“向上”(紅色)構象的融合前的S蛋白、脂質包膜(灰色)和核糖核蛋白復合物RNPs(黃色)的模型來重現SARS-CoV-2全病毒三維結構(B);精確計數了每個病毒粒子的刺突蛋白和RNP的數量(C); 揭示最具有代表性的RBD“向下”的S蛋白構象。
目前已經在研制的基因工程疫苗都是基于體外重組表達的刺突蛋白研究成果,這與病毒原位狀態下是否存在差異?已研制的疫苗是否對病毒有效?科研團隊進一步通過質譜分析刺突蛋白的糖基化組成,發現體外重組表達的刺突蛋白與病毒原位狀態刺突蛋白的糖基化修飾具有高度相似性,這對滅活病毒疫苗、基因工程重組疫苗以及中和抗體的研發具有重要指導意義。

除了刺突蛋白,新冠病毒的內部結構核心——核糖核蛋白復合物,在該研究中也取得了重要進展。核糖核蛋白復合物是病毒核酸與蛋白的結合體,病毒所有的遺傳信息都儲存在里面,可以調控病毒的生物特性,可謂是“病毒的靈魂”。



核糖核蛋白復合物RNPs的天然結構及其組裝機制。顯示RNP的兩種不同類型的超微結構:六聚體(橙色框)和四聚體(紅色框);七個RNP被包裹在病毒包膜內(灰色),形成“巢中蛋”形的六聚體組件,四個RNP被包裝成無膜的四聚體組件(下);RNP六聚體組裝成球形病毒,四聚體組裝成橢球型病毒。
早前的研究發現新冠病毒的核糖核酸長度是同類病毒中最長的,達到病毒自身直徑的100倍,那么病毒是如何將達到自身長度100倍的核糖核酸不糾纏、不打結、不斷裂、完好無損地裝進自己體內的,一直是個未解之謎??蒲袌F隊開創性地揭示了病毒腔內核糖核蛋白復合物天然結構及其組裝機制,闡明了新冠病毒是如何在80納米的管腔內組裝和堆積單股長達30Kb的核糖核酸。
原來,這些復合物像串珠一樣把核糖核酸組織在一起,并在病毒體內有序排列,不僅解決了在有限空間內收納超過自身容量核糖核酸的難題,還加固了病毒本身結構,使它能夠經受住人體外復雜環境中的各種理化因素破壞的挑戰,這也可以用來解釋新冠病毒長期在外環境存活的一個重要因素。