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《细胞研究》:新冠病毒的膜融合能力超强

摘要:

新冠肺炎在全球范围内的大流行,证实了新冠病毒(SARS-CoV-2)的超强的传染能力。目前,科学家已经从分子水平和患者的临床表现上,找到了一些解释新冠肺炎传染性超强的原因。例如,德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队发现,血管紧张素转化酶2(ACE2)与新冠病毒的亲和力是SARS病毒的10到20倍[1];港大团队发现,新冠肺炎患者发病首周唾液病毒载量就飙到最高水平[2],等等。

这并不是新冠病毒的全部手段。

今天,复旦大学基础医学院、上海市公共卫生临床中心陆路和姜世勃团队,与中科院生物物理所孙飞和朱赟团队,以及中科院武汉病毒所石正丽团队,在著名期刊《细胞研究》上正式发表重要研究成果[3]。

他们首次解析了新冠病毒刺突蛋白(S)膜融合核心结构域的晶体结构,发现其与SARS病毒的这个部分相比,存在几个关键的氨基酸变异,这导致新冠病毒的膜融合能力远强于SARS病毒。也就是说,与SARS相比,新冠病毒进入细胞的效率更高。

更重要的是,他们还开发了一个脂肽类药物,可以有效阻断新冠病毒等引起的膜融合,这种药物甚至可以采用鼻腔给药的方式预防病毒感染

《细胞研究》:新冠病毒的膜融合能力超强

▲ 论文封面

新冠病毒与它的近亲们一样,是依赖于S蛋白完成细胞的识别和入侵。S蛋白又分成S1和S2两个亚基,其中S1的受体结合域(RBD)负责识别人细胞表面的ACE2,完成病毒与细胞的结合;随后由S2亚基负责完成病毒包膜与人细胞膜的融合,完成入侵过程。

我们都知道,最近关于RBD与ACE2的结合研究成果非常多,我们基本已经非常清楚它们是怎么结合的了。但是对于新冠病毒与细胞膜的融合过程,我们还知之甚少

实际上,与其他冠状病毒类似,新冠病毒的S2亚基中存在两个重要的保守重复氨基酸序列:HR1和HR2。它俩会纠缠在一起,形成一个叫6-HB的螺旋结构。最近的研究表明,这个6-HB就是完成新冠病毒包膜与细胞膜融合的关键所在[4]。

《细胞研究》:新冠病毒的膜融合能力超强

▲ 新冠病毒(图源:NIAID-RML)

那么新冠病毒的6-HB与SARS等冠状病毒的6-HB有没有差别呢?这个膜融合过程中是不是也能找到新冠病毒感染能力强的原因呢?

这就是这个研究团队要解决的问题。

他们第一步就研究了新冠病毒介导的膜融合能力。首先直接让活的新冠病毒感染细胞。他们在培养的细胞中看到了很多合胞体出现

合胞体是什么呢?它不是荷包蛋。它是病毒感染细胞之后,那些被病毒感染了的细胞与周围同类细胞发生融合,并形成多核巨细胞的一种现象

为什么会这样呢?因为,病毒包膜在与细胞膜发生融合之后,病毒包膜表面的那些个融合蛋白就留在细胞膜表面了。这样一来,在融合蛋白的引导下,细胞之间就发生了融合,就形成了合胞体。

《细胞研究》:新冠病毒的膜融合能力超强

▲ 病毒感染介导形成的合胞体(图源:viralzone.expasy.org)

为了进一步探索新冠病毒S蛋白介导的膜融合特征。研究人员干脆把新冠病毒的S蛋白克隆出来,然后整合到了一个细胞株系里面。也就是说,这个携带S蛋白的细胞,就具备了新冠病毒的膜融合能力。如此一来,一个细胞-细胞融合系统就构建好了。

将表达S蛋白的细胞和表达ACE2的细胞在合适的条件下培育一段时间之后,研究人员就发现,如果S蛋白是新冠病毒的,就会出现合胞体;如果S蛋白是SARS病毒的,就没有合胞体;没有S蛋白或者ACE2,也不会形成合胞体

显然,与SARS病毒相比,新冠病毒介导的膜融合能力要更强,进入细胞的效率也会更高。而且S蛋白和ACE2是新冠病毒融合和进入病毒所必需的。

《细胞研究》:新冠病毒的膜融合能力超强

▲ 病毒感染介导形成合胞体研究

那新冠病毒的膜融合能力为什么比SARS强呢?

将二者S2亚基的HR1和HR2的氨基酸序列做一番比较之后发现,二者的HR1同源性是92.6%,HR2的同源性是100%。具体来说,二者的HR1有8个氨基酸不同,这个不同有可能会增强新冠病毒的HR1和HR2之间的相互作用,并稳定6-HB的空间结构。

于此同时,研究人员分析了6-HB的X射线晶体结构,从结构上分析了HR1氨基酸差异对6-HB的影响。具体的分析过程我们这里就不再赘述了,需要知道细节的朋友自行点击文末“阅读原文”。

总的来看呢,新冠病毒HR1中出现的8个氨基酸替换,可以增强HR1和HR2结构域之间的相互作用,以进一步稳定6-HB结构,这也确实有可能会导致新冠病毒的感染能力增强。

《细胞研究》:新冠病毒的膜融合能力超强

▲ 新冠病毒与SARS病毒HR1和HR2的区别,以及复合体的差异

既然S蛋白的融合技能也是新冠病毒感染能力强的关键,那把它作为药物开发的靶点也就理所当然了。

实际上,之前陆路和姜世勃团队已经研发了一个可以抑制人冠状病毒膜融合的多肽药物EK1[5],而且也初步证实EK1对于新冠病毒介导的膜融合有一定的抑制作用[4]。

不过现在看来,问题没那么简单,新冠病毒的膜融合蛋白很“硬气”,EK1也得升级。

好在之前已经有研究表明,脂化策略可以有效提高融合抑制肽的抗病毒活性[6,7]。既然如此,那就给EK1加点儿“油”。

研究人员利用聚乙二醇(PEG)将胆固醇(Chol)或棕榈酸(Palm)结合到EK1的C端,随后开始不断的优化,最终得到了一个连着胆固醇的EK1C4

这个脂肽EK1C4的效果有多强大呢?作为新冠病毒感染细胞的膜融合抑制剂,EK1C4的IC50为36.5nM,比EK1高了67倍,真是厉害了。不仅如此,EK1C4对其他人冠状病毒也具有广谱性效果

《细胞研究》:新冠病毒的膜融合能力超强

▲ 新冠病毒的6-HB与SARS病毒的区别

在研究的最后,研究人员考虑到了一个非常重要的问题:新冠病毒是通过呼吸道感染在人群中传播的。那这个EK1C4有没有可能阻断这一过程,进而实现预防感染呢?

由于没有适合新冠病毒感染的模式小鼠,研究人员用另一种人冠状病毒HCoV-OC43做了相关的研究。

他们用HCoV-OC43感染小鼠,然后通过鼻内给药途径,探讨EK1C4的潜在预防冠状病毒感染的可能性

首先是在用HCoV-OC43感染小鼠之前的0.5小时、2小时、4小时、12小时和24小时鼻内给药。感染的4天之后,对照组小鼠全部死亡,而前面几个不同时间点给药的小鼠存活率分别为100%、100%、100%、83%和0%。这表明,EK1C4对HCoV-OC43感染有预防作用。

随后又做了HCoV-OC43感染后0.5小时和2小时鼻内给药的研究,两组的存活率分别为100%和16.7%。这表明EK1C4在HCoV-OC43感染后尽快给药,有良好的治疗效果。

出现这个现象可能是HCoV-OC43可以快速感染小鼠大脑,但是EK1C4鼻腔给药无法通过血脑屏障所致。由于新冠病毒主要感染肺,所以预测EK1C4鼻腔给药对于新冠病毒感染具有良好的预防和治疗效果

《细胞研究》:新冠病毒的膜融合能力超强

▲ 近100年出现的高致病性病毒

在论文的最后,研究人员总结EK1C4与目前非特异性抗病毒药物相比的优势。

第一,EK1C4靶向的HR1是高度保守的序列,他们分析了最近公布的103个新冠病毒基因组[8],它们的HR1和HR2的同源性都是100%。因此新冠病毒不易对EK1C4产生耐药性

第二,EK1C4或能通过鼻内给药的形式预防冠状病毒感染。因此,与感染患者或高危人群密切接触的人员携带就很方便。

第三,患者吸入EK1C4,或能减轻其肺部的病毒载量,从而减轻由病毒感染引起的急性肺损伤,并减少将病毒传播给紧密接触者的机会。

第四,由于EK1C4是局部给药,相对较安全,并且肽类药物通常比化学药物更安全。

第五,EK1C4具有广谱抗冠状病毒活性,因此不仅有可能用于治疗和预防新冠病毒感染,还可用于其他的人冠状病毒感染。

不得不说,这项研究成果确实是非常吸引人。在不知道新冠肺炎走向的2020年,我们非常期待研究团队开展相关临床研究,并获得阳性研究成果。

加油。

本文来自奇点网  奇点网,本文观点不代表「互联网热点」立场,转载请联系原作者。

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