人體細(xì)胞上相應(yīng)的受體蛋白好比是一把“鎖”，病毒要想進(jìn)入人體細(xì)胞，得有相應(yīng)的“鑰匙”才能打開。新冠病毒的“鑰匙”是其S蛋白，而ACE2則是病毒入侵的“鎖”。
通過解析生物結(jié)構(gòu)可以了解病毒細(xì)胞是如何與人類受體結(jié)合，進(jìn)而入侵人體的。當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月18日，生命科學(xué)預(yù)印本平臺(tái)bioRxiv發(fā)表了西湖大學(xué)周強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的研究成果“Structure of dimeric full-length human ACE2in complex with B0AT1”，該團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡技術(shù)成功解析此次新冠病毒的受體——ACE2(血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2)的全長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。據(jù)悉，這是世界上首次解析出ACE2的全長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。
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)。論文的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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室于2019年獲批成立，中科院院士施一公擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室主任。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合物以二聚體形式存在，隨著ACE2的肽酶結(jié)構(gòu)域(PDs)轉(zhuǎn)移而呈現(xiàn)出“開放(open)”和“關(guān)閉(closed)”兩種構(gòu)象。
結(jié)構(gòu)建模表明，該ACE2-B0AT1復(fù)合物可以同時(shí)結(jié)合兩個(gè)S蛋白，這為冠狀病毒結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步識(shí)別和感染人體的分子基礎(chǔ)提供了重要線索。
清華大學(xué)全球健康與傳染病研究中心主任張林琦教授認(rèn)為，總體而言，ACE2全長(zhǎng)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(duì)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。
關(guān)于病毒的“鑰匙”——S蛋白的最新研究來(lái)自美國(guó)。美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)疫苗研究中心與得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校分子生物科學(xué)學(xué)院合作，對(duì)新型冠狀病毒的S蛋白進(jìn)行了近原子結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)認(rèn)為，新冠病毒的S蛋白結(jié)合人體ACE2的親和力要遠(yuǎn)高于嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)的S蛋白，這可能是新冠病毒感染性強(qiáng)的原因。
ACE2到底在細(xì)胞膜上是以什么狀態(tài)存在？新冠病毒對(duì)比SARS病毒與ACE2結(jié)合有何異同？
由于作為膜蛋白的ACE2本身很難在體外穩(wěn)定獲得，研究團(tuán)隊(duì)通過共同表達(dá)的方法獲得了ACE2與腸道內(nèi)的一種氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B0AT1的復(fù)合物，并利用西湖大學(xué)的冷凍電鏡平臺(tái)解析了其三維結(jié)構(gòu)。
受體ACE2-B0AT1復(fù)合物：呈現(xiàn)開放和關(guān)閉兩種構(gòu)象
盡管ACE2(宿主細(xì)胞受體血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2)因被冠狀病毒“劫持”而為公眾所知，但正如其名，ACE2的主要生理作用是促進(jìn)血管緊張素的成熟，血管緊張素是一種控制血管收縮和血壓的肽激素。
ACE2是一種I型膜蛋白，主要位于肺、心臟、腎臟和腸中，其表達(dá)水平與心血管疾病有關(guān)。新冠病毒感染后，人體內(nèi)ACE2水平下降甚至缺失，是導(dǎo)致發(fā)生肺損傷和肺衰竭的關(guān)鍵因素之一。
ACE2-B0AT1 復(fù)合物的冷凍電鏡密度圖
ACE2-B0AT1復(fù)合物的原子模型展示，糖基化部分顯示為棒，復(fù)合物由亞基著色，ACE2前體中的蛋白酶結(jié)構(gòu)域(PD)和Collectrin樣結(jié)構(gòu)域(CLD)分別為青色和藍(lán)色
全長(zhǎng)ACE2由一個(gè)N末端肽酶結(jié)構(gòu)域(PD)和一個(gè)C末端Collectrin樣結(jié)構(gòu)域(CLD)組成，CLD末尾包含單個(gè)跨膜螺旋和一個(gè)有約40個(gè)殘基的細(xì)胞內(nèi)節(jié)段
ACE2中的PD負(fù)責(zé)裂解血管緊張素(Ang)I產(chǎn)生Ang-(1-9)，然后被其他酶加工成為Ang-(1-7)。同時(shí)，根據(jù)此前的研究，爪狀A(yù)CE2-PD的晶體結(jié)構(gòu)還提供了冠狀病毒S蛋白的直接結(jié)合位點(diǎn)。對(duì)于冠狀病毒細(xì)胞的結(jié)合而言，除PD之外，其余ACE2在結(jié)構(gòu)上均不可用。
研究團(tuán)隊(duì)從418140個(gè)選定的粒子中以2.9？的總分辨率進(jìn)行了3D重建，該復(fù)合物以異二聚體的二聚體形式存在。團(tuán)隊(duì)從同一數(shù)據(jù)集中提取了ACE2同型二聚體中PD的兩個(gè)構(gòu)型，即開放和關(guān)閉。
復(fù)合物“開放(open)”和“關(guān)閉(closed)”兩種構(gòu)象
結(jié)構(gòu)比較表明，兩種構(gòu)象的變化僅通過PD結(jié)構(gòu)域的旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)，其余復(fù)合物幾乎保持不變。
復(fù)合物可以同時(shí)結(jié)合兩個(gè)病毒S蛋白
研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在開放還是關(guān)閉狀態(tài)下，S蛋白都位于ACE2二聚體的外側(cè)。
因此，二聚體ACE2可同時(shí)容納兩個(gè)S蛋白三聚體。該結(jié)果表明，可能存在二聚體ACE2和三聚體S蛋白之間的潛在聚集，這可能對(duì)膜的內(nèi)陷和病毒顆粒的內(nèi)吞作用很重要，這一過程類似于其他受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用。
在病毒感染過程中，糖基化起著重要作用。它使病毒粒子具有高度糖基化的表面 ，幫助它們免受人體免疫細(xì)胞識(shí)別和攻擊。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在ACE2-PD的表面上觀察到了更多的糖基化位點(diǎn)(此前的研究觀察到2個(gè))，這是由于該研究的蛋白質(zhì)ACE2是在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中取得的，而此前的研究則從桿狀病毒感染的昆蟲細(xì)胞中獲得。
ACE2中的糖基化位點(diǎn)，紅色球形為在本研究中發(fā)現(xiàn)的
在ACE2-B0AT1復(fù)合物的結(jié)構(gòu)中，一共鑒定出7個(gè)糖基化位點(diǎn)，其中2個(gè)與以前的報(bào)告相同。
這些糖基化位點(diǎn)中，3個(gè)位于RBD(受體結(jié)合域)結(jié)合位點(diǎn)附近。此前的研究觀察到Asn90和Asn322兩個(gè)糖基化位點(diǎn)，而Asn53在本研究中被發(fā)現(xiàn)。
研究表明，氯喹可以干擾ACE2的末端糖基化，可以抑制SARS-CoV感染。同時(shí)，這些糖基化的部分是否直接參與病毒S蛋白與ACE2的結(jié)合尚待證實(shí)。
氯喹治療新冠肺炎的療效也在近日的國(guó)務(wù)院聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制新聞發(fā)布會(huì)上被提及。2月17日，科技部生物中心副主任孫燕榮在發(fā)布會(huì)上稱，相關(guān)專家組一致認(rèn)為，可以明確已在臨床上用了70多年的抗瘧藥磷酸氯喹治療新冠肺炎具有一定療效。
剖析2019-nCoV感染機(jī)制的重要框架
作者們?cè)谡撐淖詈髮懙?，此次發(fā)表的結(jié)構(gòu)揭示了二聚體組裝中全長(zhǎng)ACE2的高分辨率結(jié)構(gòu)，同時(shí)建模分析表明，冠狀病毒的兩個(gè)S蛋白三聚體同時(shí)與ACE2二聚體結(jié)合。這提醒我們病毒細(xì)胞入侵聚集發(fā)生，可能有助于內(nèi)吞作用的膜內(nèi)陷。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，需要進(jìn)一步的研究與表征來(lái)檢驗(yàn)ACE2與病毒顆粒之間的相互作用，以及輔助因子如BOAT1和整聯(lián)蛋白對(duì)該過程的影響。此次研究是剖析2019-nCoV感染機(jī)制的重要框架，并可能促進(jìn)潛在臨床治療的發(fā)展。