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西湖大學:成功解析新冠病毒受體ACE2全長結構,世界首次
2020-02-19
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近日,西湖大學周強實驗室利用冷凍電鏡技術成功解析此次受體——ACE2的全長結構。這是世界上首次解析出ACE2的全長結構。相關研究內容于北京時間2月19日凌晨3點左右在預印版平臺bioRxiv上線。這也是西湖大學承擔的浙江省新型冠狀病毒肺炎防治應急科研攻關任務的重要成果。

新型冠狀病毒感染引發的肺炎疫情爆發后,武漢病毒研究所的科學家發現,新型冠狀病毒和2003年的SARS病毒一樣,也是通過識別ACE2蛋白進入人體細胞的,ACE2是“新冠病毒”侵入人體的關鍵。研究發現,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,從而打開了進入細胞的大門。

ACE2-B0AT1復合物的冷凍電鏡密度圖

此前,曾有研究解析出ACE2的一個胞外結構域與SARS病毒S蛋白形成的復合物的三維結構。最近美國得克薩斯大學奧斯汀分校的研究團隊又展示了新冠病毒的S蛋白結構。然而,ACE2到底在細胞膜上是以什么狀態存在?新冠病毒對比SARS病毒與ACE2結合有何異同?獲取ACE2的全長蛋白及其與S蛋白的復合物結構,將大大有助于解答上述疑問。

ACE2-B0AT1復合物結構圖

周強實驗室針對這個問題進行了攻堅。第一步,他們要獲取ACE2蛋白全長蛋白,但作為膜蛋白的ACE2本身很難在體外穩定獲得。周強及博士后鄢仁鴻在文獻中發現ACE2與腸道內的一個氨基酸轉運蛋白B0AT1能夠形成復合物。根據他們過去的研究經驗,這個復合物極有可能穩定住ACE2。果然,他們通過共表達的方法獲得了ACE2與B0AT1優質穩定的復合物,并利用西湖大學的冷凍電鏡平臺成功解析了其三維結構,分辨率達到2.9埃,對于病毒識別至關重要的胞外結構域分辨率為2.7埃。

ACE2-B0AT1復合物和之前解析復合物(SARS-CoV的S蛋白與ACE2的PD結構域的復合物)的比較,兩種復合物通過PD結構域錨定在一起。

通過分析ACE2的全長蛋白結構,周強實驗室發現ACE2以二聚體形式存在,同時具有開放和關閉兩種構象變化,但兩種構象均含有與冠狀病毒的相互識別界面。

這一研究發現為進一步解析全長ACE2和新冠病毒的S蛋白復合物的三維結構奠定了基礎。而這個工作本身為理解新冠病毒侵染細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生更高層級的交聯,從而促進病毒與宿主細胞膜的融合或者內吞?之前有研究表明ACE2的胞外區如果被切割,將會更有效地促進冠狀病毒的侵染,但是ACE2與B0AT1的復合物結構顯示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生在沒有B0AT1的肺部?

這一系列通過結構研究揭示的問題有待未來多學科探索。

“總體而言,ACE2全長結構的解析,將有助于理解冠狀病毒進入靶細胞的結構基礎和功能特征,對發現和優化阻斷進入細胞的抑制劑有重要作用”,清華大學全球健康與傳染病研究中心主任張林琦教授說。

周強(右)和鄢仁鴻(左)

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

什么是“結構生物學”?

所謂“眼見為實”,結構生物學將構成我們身體、支持我們生命活動的生物大分子(蛋白質、核酸)從結構角度揭示出來,搞清楚它們如何正常工作,而它們的異常又是如何導致病變的。

該領域的研究不僅可以解決一系列生命領域重大基礎科學問題,還可以幫助科學家根據疾病相關分子的特殊結構設計藥物,不斷提高人類的生活質量。

2019年,浙江省結構生物學研究重點實驗室獲批成立,施一公擔任實驗室主任。

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