新冠病毒刺突蛋白及其受体的结构与相互作用
Structures and Interactions of SARS-CoV-2's Spike Protein and Its Receptor
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收稿日期: 2020-08-31 接受日期: 2020-10-15
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Received: 2020-08-31 Accepted: 2020-10-15
生物化学是化学的分支,是研究生命物质的化学组成结构及化学变化的基础生命科学。新冠肺炎是全人类所面临的问题,本文以生物化学的视角,阐述新冠病毒的刺突蛋白及其受体人血管紧张素转化酶2的化学结构及其相互作用,对目前已发表的国内外相关研究进行总结,有望为新冠疫苗的研发提供参考。
关键词:
Biochemistry is a branch subject of chemistry, which is the study of chemical structures and processes associated with living organisms. COVID-19 pandemic is a problem for human beings. From the perspective of biochemistry, this paper demonstrates the chemical structure and interactions of SARS-CoV-2's spike protein and its receptor (human angiotensin converting enzyme 2), and summarizes the related research progresses. The authors hope to provide insights for the development of COVID-19 vaccine.
Keywords:
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杨海龙, 刘允, 杨斌.
Yang Hailong.
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
DOI:10.1038/s41586-020-2012-7 [本文引用: 1]
DOI:10.1038/s41586-020-2665-2 [本文引用: 2]
DOI:10.1074/jbc.M002615200 [本文引用: 1]
DOI:10.1002/ejhf.1924 [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.pharmthera.2010.06.003 [本文引用: 2]
DOI:10.1073/pnas.85.24.9386 [本文引用: 1]
DOI:10.1126/science.abb2762 [本文引用: 2]
DOI:10.1073/pnas.1708727114 [本文引用: 1]
DOI:10.1126/science.abb7269 [本文引用: 1]
DOI:10.1038/s41586-020-2180-5 [本文引用: 3]
DOI:10.1016/j.molcel.2020.04.022 [本文引用: 4]
DOI:10.1016/j.cell.2020.02.052 [本文引用: 1]
DOI:10.1038/s41422-020-0305-x [本文引用: 1]
DOI:10.1073/pnas.0400576101 [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.antiviral.2020.104792 [本文引用: 2]
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