2019年末，在湖北省武汉市陆续发现多例不明原因的病毒性肺炎病例，主要以干咳、发热、乏力为主要症状[1]。2020年1月12日，世界卫生组织正式将其命名为“2019-nCoV”(2019-novel Coronavirus)，即“2019新型冠状病毒”，简称“新冠病毒”；2020年2月11日，国际病毒分类委员会宣布，将新型冠状病毒命名为“SARS-CoV-2”(Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2)，即“严重急性呼吸综合征冠状病毒2型”。其导致的新型冠状病毒肺炎目前已被纳入《中华人民共和国传染病防治法》规定的乙类传染病，并按甲类传染病管理[2]。截至北京时间2020年9月30日06时，根据美国约翰斯∙霍普金斯大学发布的疫情统计数据，全世界累计确诊病例达到33484120例，累计死亡病例1004082例。
新冠病毒(SARS-CoV-2)属于冠状病毒科，β冠状病毒属，与2003年引发非典型肺炎的SARS病毒(Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus，SARS-CoV)同科同属不同种。SARS-CoV-2具有磷脂双分子层包膜，外形为表面有凸起的圆形或椭圆形颗粒，形似皇冠，直径60–140 nm；包膜上有刺突蛋白(Spike Protein，S蛋白)，膜蛋白(Membrane Protein，M蛋白)、套膜蛋白(Envelop Protein，E蛋白)等；包膜内有和核壳蛋白(Nucleocapsid Protein，N蛋白)结合线性单股正链的RNA [3]，基因组大小约30 kb。SARS-CoV-2感染宿主细胞是通过S蛋白与跨膜蛋白血管紧张素转化酶2 (Angiotensin Converting Enzyme 2，ACE2)结合介导的[4]。
1 刺突蛋白及其受体的结构
1.1 刺突蛋白——病毒入侵细胞的主要元件
图1
S蛋白的序列主要包括N端结构域(N-Terminal Domain，NTD)、受体结合结构域(Receptor Binding Domain，RBD)、融合肽段(Fusion Peptide，FP)、2段七肽重复序列(Heptad Repeat，HR)、中央螺旋(Central Helix，CH)、连接域(Connector Domain，CD)、跨膜结构域(Transmembrane Domain，TD)等，同时还有S1/S2和S2’两个切割位点。
1.2 血管紧张素转化酶2——S蛋白的主要识别对象
过去血管紧张素转化酶2 (ACE2)的作用更多是在心血管系统中被人知晓，它是肾素-血管紧张素系统(Renin-Angiotensin System，RAS)一个关键的负调节因子，与其同源蛋白血管紧张素转化酶(ACE)作用相反[11]。ACE2已被证明是SARS-CoV的S蛋白感染细胞的主要受体[12]，而SARS-CoV-2亦是如此。但是，常见的血管紧张素转化酶抑制剂(Angiotensin Converting Enzyme Inhibitors，ACEI)如卡托普利和赖诺普利并不影响ACE2活性[13]，目前也没有证据显示新冠病毒肺炎患者使用ACEI类药物导致症状加重[14]。ACE2高表达于肾脏、心脏和睾丸，但亦在肺、小肠和肝脏等组织表达[12]，部分患者初期表现为呕吐、腹泻等消化道症状也可能与ACE2在肠道组织分布有关，也有报道指出部分患者粪便中SARS-CoV-2阳性[15]。
ACE2是位于细胞膜表面的I型跨膜蛋白，是一种含有锌的羧肽酶。ACE2由805个氨基酸残基组成，具有单一的胞外催化结构域[16]。ACE2有两个结构域：N端催化结构域和C端结构域，N端催化结构域具有一个活性位点——锌结合基序，组成为组氨酸(His)-谷氨酸(Glu)-(X)-(X)-组氨酸(His) (HEXXH序列，X为任意氨基酸)，它存在于多种肽酶中[17]。ACE2属于金属蛋白酶M2家族，活性位点暴露在细胞外表面，促进氨基酸的循环代谢。通过利用锌离子(在活性位点内由2个保守的组氨酸进行配位)进行催化反应，以促进底物蛋白肽键的水解，在HEXXH序列内，除了2个组氨酸，另一个谷氨酸也参与配位锌离子[18]。
Yan等[19]的研究显示，ACE2可以以同源二聚体的形式存在于细胞表面，但这样的二聚体形式不稳定，ACE2还可以同氨基酸转运体B0AT1形成异源二聚体，以该异源二聚体为亚单位聚合成稳定的同源二聚体(同时包含2个ACE2和2个B0AT1)。ACE2二聚体具有开放(open)和关闭(closed)两种构象变化，但两种构象均含有SARS-CoV-2的识别位点。
2 刺突蛋白与受体的相互作用
2.1 S蛋白RBD与ACE2的结合
正常情况下，SARS-CoV-2的S蛋白以亚稳定的三聚体构象存在。当S1亚单位与宿主细胞受体结合时，宿主蛋白酶切割S蛋白的S1/S2切割位点，破坏了融合前三聚体的稳定性，导致S1亚单位脱落和S2亚单位转变为融合后的稳定构象[20]。
SARS-CoV-2的S蛋白RBD包含有192个氨基酸残基，但是与SARS-CoV的S蛋白RBD同源性只有73.4%。据Wrapp等[6]通过表面等离子共振技术(SurfacePlasmon Resonance，SPR)研究显示，SARS-CoV的S蛋白与ACE2的平衡解离常数KD为325.8 nmol∙L−1，SARS-CoV-2的S蛋白与ACE2的KD为14.7 nmol∙L−1，而KD值越小说明解离越少，S蛋白与ACE2的亲和力越强，这也可以解释为何今年的新冠肺炎疫情较2003年的非典疫情传播更加迅速。
SARS-CoV-2的RBD立体构象有一个扭曲的五股反平行β折叠(标记为β1、β2、β3、β4和β7) (β折叠中，相邻肽链主链上的C＝O与N-H之间形成氢键，氢键与肽链的长轴近于垂直)，其中有短连接螺旋和环状结构，构成RBD核心区域[22]。在核心结构中的β4和β7折叠之间，存在一个包含短的β5和β6折叠、α4和α5螺旋及环的延伸插入结构，这就是RBM，它包含SARS-CoV-2与ACE2结合的大部分氨基酸残基[24]。在RBD中总共发现了9个半胱氨酸残基，其中8个形成了4对二硫键(一种维持蛋白质结构的重要共价键)；这四对中，有三对在核心区域(Cys336–Cys361，Cys379–Cys432和Cys391–Cys525)，这有助于稳定β折叠结构；其余的一对(Cys480-Cys488)连接RBM远端的环状结构(图2)。
图2
ACE2的N端有螺旋结构和PD，PD有两叶，在两叶之间有PD的底物结合位点。S蛋白与ACE2结合时，RBM与PD小叶的底侧接触，RBM凹的外表面与ACE2的N端螺旋结构接触，二者以非共价键结合[24]。ACE2的N端螺旋被RBM包裹，导致在SARS-CoV-2RBD与ACE2界面上有16.87 nm2的包埋面积(RBD上为8.64 nm2，ACE2上为8.23 nm2)，这个界面一个显著特征是存在亲水相互作用的网络，包括13个氢键和2个静电引力，在截断半径为0.4nm的情况下，总共有17个RBD氨基酸残基与20个ACE2氨基酸残基接触。通过RBD-ACE2复合物与SARS-CoV-2 S蛋白的结构比对表明，2个S蛋白三聚体可以同时与1个ACE2同源二聚体结合[19]。
2.2 S2亚单位介导的膜融合
S1亚单位介导受体结合，S2亚单位负责膜融合。膜融合是S蛋白激活的结果，并依赖于宿主细胞蛋白酶(如弗林蛋白酶)在S1/S2和S2’位点对S蛋白的切割，是病毒进入细胞不可缺少的一步[25]。
S蛋白三聚体的3个HR1结构域形成一个平行的三聚体盘绕中心，围绕该中心的三个HR2结构域以反平行的方式缠绕在一起。这两个结构域之间的相互作用主要是疏水作用力。每对相邻的两个HR1螺旋形成一个深疏水沟槽，为HR2结构域的疏水残基提供结合位点[25]。氨基酸序列比对表明，SARS-CoV-2和SARS-CoV在HR1和HR2区的同源性分别为92.6%和100%。与SARS-CoV相比，在HR1结构域的融合核心区内，SARS-CoV-2有8个氨基酸残基不同，晶体学分析表明，这可能有助于增强HR1和HR2之间的相互作用，稳定SARS-CoV-2的6-HB构象，有可能会导致新冠病毒的感染能力增强[25]。
据Tang等[29]研究显示，将SARS-CoV与SARS-CoV-2融合肽的氨基酸序列的同源性为93%。S2亚单位从融合肽段(FP)开始，下游即为HR1和HR2，FP是S蛋白的膜融合功能元件。FP在冠状病毒家族S蛋白属于保守的短片段(15–25个氨基酸残基)，主要由甘氨酸或丙氨酸等疏水氨基酸组成，插入宿主细胞膜以启动融合。
膜融合是一个多步骤过程，S蛋白激活后，FP会直接与宿主细胞膜相互作用，促进融合形成融合孔，病毒再通过融合孔将基因组RNA注入到宿主细胞内，复制产生更多的病毒。研究人员还发现，Ca2+有助于FP实现其功能，并促进SARS-CoV-2染宿主细胞[29]。
3 总结与展望
目前，新冠疫情还在全世界肆虐，对SARS-CoV-2的研究仍在深入。科学家们围绕刺突蛋白进行了大量研究，解析其基因组和结构揭示了它与SARS-CoV的亲缘关系，并且为疫苗研发(包括灭活疫苗、减毒疫苗、核酸疫苗等)提供理论基础，通过模型重建分析确定了刺突蛋白和ACE2的相互作用力及作用位点，阐释了病毒入侵人体的机制并指导药物的研发工作。
新冠肺炎是全人类所面临的共同挑战，需要按照科学的方法，控制传染源，阻断传播途径，保护易感人群，方能有效阻止疫情的扩散，减轻医疗系统负担，减少疫情给社会各方面带来的不利影响；同时更需要各国科学家交流与合作，及时分享研究成果，研制出可靠的疫苗才能帮助人类对抗新冠病毒。
参考文献
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