冠狀病毒是影響人類生命健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一類重要病原體。本世紀(jì)以來(lái)引發(fā)多次全球性疫情（如SARS和新冠等），對(duì)全世界造成了空前的影響。冠狀病毒入侵宿主的分子機(jī)制不僅是重要的科學(xué)問(wèn)題，對(duì)指導(dǎo)新型抗病毒藥物及疫苗開(kāi)發(fā)更具有巨大科學(xué)價(jià)值。
近三十年的研究表明，冠狀病毒入侵宿主細(xì)胞時(shí)需要識(shí)別位于細(xì)胞膜表面的受體，而這些受體大致可以分為糖類受體和蛋白質(zhì)類受體，但這兩類受體之間的關(guān)系及精確的內(nèi)在分子機(jī)制尚亟待解答。
2024年7月3日，上?？萍即髮W(xué)免疫化學(xué)研究所楊海濤教授、清華大學(xué)饒子和院士和復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院孫蕾研究員等在 Cell 期刊發(fā)表了題為：TMPRSS2 and glycan receptors synergistically facilitate coronavirus entry 的研究論文。
該研究揭示了人類冠狀病毒HKU1（HCoV-HKU1）同時(shí)利用細(xì)胞表面糖受體和蛋白受體入侵人體的精確分子機(jī)制，并首次發(fā)現(xiàn)這兩類受體在病毒入侵過(guò)程中展現(xiàn)出協(xié)同的工作機(jī)制。
該研究不僅拓展了對(duì)冠狀病毒如何入侵宿主這一關(guān)鍵過(guò)程的理解和認(rèn)識(shí)，解決了冠狀病毒受體研究領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)懸而未決的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，也為開(kāi)發(fā)抗冠狀病毒的新策略奠定了重要理論基礎(chǔ)。
圖1、人類冠狀病毒HKU1同時(shí)挾持細(xì)胞表面糖受體和蛋白質(zhì)受體入侵人體的示意圖
人類冠狀病毒HKU1（HCoV-HKU1）是一種引發(fā)季節(jié)性呼吸道疾病的人類冠狀病毒，在免疫功能低下和免疫缺陷人群中可能導(dǎo)致重癥。目前研究表明，HCoV-HKU1入侵需要識(shí)別并結(jié)合位于宿主細(xì)胞膜表面的糖受體（糖受體識(shí)別決定簇為其末端的9-O-乙酰化唾液酸，即9-O-Ac-Sia）和蛋白受體（跨膜絲氨酸蛋白酶2，即TMPRSS2）。
該研究通過(guò)冷凍電鏡技術(shù)解析了HCoV-HKU1刺突蛋白在激活前態(tài)（inactive state）、糖激活態(tài)（glycan-activated state）、功能性錨定態(tài)（functionally anchored state）下的多個(gè)結(jié)構(gòu)，完整描繪了冠狀病毒刺突蛋白同時(shí)識(shí)別、結(jié)合人體細(xì)胞上兩類受體的一系列動(dòng)態(tài)過(guò)程。
通過(guò)對(duì)不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)冠狀病毒刺突蛋白不僅可以分別識(shí)別宿主細(xì)胞表面的糖受體與蛋白受體，而且病毒與這二者的識(shí)別出人意料地展現(xiàn)出協(xié)同過(guò)程，大大促進(jìn)了病毒入侵宿主細(xì)胞的效率。該協(xié)同作用具體表現(xiàn)為（圖1）：病毒刺突蛋白與糖受體結(jié)合被激活，并展示出“up”構(gòu)象，暴露出與蛋白受體結(jié)合的功能區(qū)，促使其與蛋白受體的進(jìn)一步結(jié)合，從而介導(dǎo)病毒囊膜與細(xì)胞膜的融合，完成入侵過(guò)程。對(duì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)的深入分析進(jìn)一步揭示了刺突蛋白如何識(shí)別糖和蛋白受體的精確分子機(jī)制（圖2），其中TMPRSS2與通過(guò)一系列氫鍵和疏水相互作用與刺突蛋白的RBD區(qū)域遠(yuǎn)端相結(jié)合；而9-O-Ac-Sia則是結(jié)合在刺突蛋白的NTD結(jié)構(gòu)域外圍，并主要占據(jù)了其中兩個(gè)疏水口袋P1和P2。這些發(fā)現(xiàn)為靶向刺突蛋白與受體互作界面的抗體設(shè)計(jì)等全新抗病毒策略提供了重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖2、人類冠狀病毒HKU1刺突蛋白分別識(shí)別糖受體和蛋白受體的精確模式
該研究還預(yù)測(cè)并分析了人類冠狀病毒HKU1的潛在感染宿主范圍。通過(guò)對(duì)不同物種來(lái)源的TMPRSS2的序列保守性分析，并隨后測(cè)定其與病毒刺突蛋白的親和力，發(fā)現(xiàn)駱駝、羊駝和大鼠的TMPRSS2在結(jié)合病毒刺突蛋白的關(guān)鍵氨基酸序列上與人源TMPRSS2高度保守。生物膜干涉實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，上述三種動(dòng)物來(lái)源的TMPRSS2均能有效結(jié)合病毒刺突蛋白。這些研究結(jié)果為闡明人類冠狀病毒HKU1潛在感染的宿主范圍提供了前瞻性理論依據(jù)，并對(duì)人類冠狀病毒HKU1的預(yù)防和監(jiān)控具有重要科學(xué)指導(dǎo)意義。
值得一提的是，Cell 期刊還同時(shí)刊登了分別來(lái)自美國(guó)華盛頓大學(xué)和法國(guó)巴黎西岱大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在HCoV-HKU1識(shí)別蛋白受體TMPRSS2方面的研究工作。其中美國(guó)華盛頓大學(xué)的 David Veesler 團(tuán)隊(duì)解析了HCoV-HKU1 RBD與TMPRSS2的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并對(duì)病毒感染的宿主范圍進(jìn)行了系統(tǒng)分析和細(xì)胞水平的測(cè)試；法國(guó)巴黎西岱大學(xué)的 Félix A. Rey 團(tuán)隊(duì)則解析了HCoV-HKU1 RBD-TMPRSS2-抗體復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步闡明了TMPRSS2的激活和抗體中和的分子機(jī)制。
這項(xiàng)工作是該研究群體在冠狀病毒研究領(lǐng)域的又一項(xiàng)重要突破。自新冠病毒爆發(fā)以來(lái)，該研究群體不僅在主蛋白酶和轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)合體等冠狀病毒關(guān)鍵藥物靶點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及藥物研究中取得了一系列重大進(jìn)展，也在病毒刺突蛋白及其中和性抗體開(kāi)發(fā)方面碩果累累。
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