解析Science新冠病毒论文：S蛋白电镜图首次公布
今日发表在《科学》上的新研究中，来自美国得克萨斯大学和NIH的研究人员首次利用冷冻电镜展示了新冠病毒刺突蛋白的分子结构。该研究已于2月16日发表在预印本网站bioRxiv，并快速通过同行审议发表于《科学》期刊。研究共发现和提出了3个关键点：
再度确认冠状病毒的刺突蛋白结构是疫苗应对的关键区域;
2019-nCoV的刺突蛋白与细胞ACE2受体亲和力要高于SARS-CoV;
特异性针对SARS-CoV刺突蛋白受体结合结构域(RBD)的多克隆抗体不能与2019-nCoV结合，两种病毒的抗体具有限制性。
包括中科院上海巴斯德研究所郝沛团队等利用基因序列进行建模、石正丽团队在《自然》发文的细胞水平实验在内，此前已经有多项研究从不同的角度证实，与SARS-CoV一样，2019-nCoV同样是利用刺突蛋白与ACE2受体作用来感染人体细胞。
刺突蛋白(SProtein)根据蛋白结构功能可以被分成两个功能单位：S1和S2蛋白亚基。S1能够促进病毒结合到宿主细胞受体的能力，其含有一个重要的C端受体结合结构域(receptor-bindingdomain，RBD)，正是这个位置负责和受体结合。
在之前的计算机模型分析中，新型冠状病毒和SARS的刺突蛋白同源性较低，两种病毒刺突蛋白的氨基酸序列相似度只有76.47%。但是两种病毒RBD结构域的有一些基因区域与SARS有高度的同源性。其中SARS感染的5个关键位点中，有1个被新型冠状病毒保留，其余4个有氨基酸的替换和变化。
新型冠状病毒刺突蛋白中与ACE2蛋白结合的5个关键氨基酸有4个发生了变化，但其维持了SARS病毒刺突蛋白与ACE2蛋白作用的原结构构象。这说明，新型冠状病毒仍是通过与SARS相同的受体和机制进行病毒感染和传播。
而发表于《科学》的新研究指出，新型冠状病毒利用高度糖基化的同源三聚体刺突蛋白进入宿主细胞。这一病毒融合(fusion)过程中，刺突蛋白会经历结构变化，包括病毒的S1亚基结合到宿主细胞受体上，让刺突蛋白的三聚体产生不稳定性，进而造成S1亚基脱落，S2亚基形成高度稳定的融合后(post-fusion)结构。
通过结构分析，研究发现S1亚基中的RBD会经历铰链式运动，其移动特点与SARS-CoV以及MERS-CoV均非常相似。通过这种运动，刺突蛋白可以暂时隐藏或暴露受体结合的关键位点。这两种状态被称为“下”构象和“上”构象，其中，“下”构象对应的是受体不可结合状态，“上”构象对应受体可结合状态，受体可结合状态较为不稳定，因此是疫苗针对的绝佳位点。
基于在SARS-CoV获取刺突蛋白的相关经验以及公开的新冠病毒序列，研究者在实验室细胞中获取了2019-nCoV的预融合(prefusion)刺突蛋白，并通过纯化后利用冷冻电镜展示了其3.5埃清晰度的高清结构图。
研究还展示了S1亚基进行铰链式运动时的动态图，这种运动和SARS-CoV和MERS-CoV等beta-冠状病毒，甚至和一些种属更远的alpha-冠状病毒非常接近。该发现证明了新冠病毒的感染机制符合其他冠状病毒的特征。
分别从顶部和侧面观测的S1亚基运动分别从顶部和侧面观测的S1亚基运动
另外，研究指出2019-nCoV和蝙蝠冠状病毒RaTG13在S蛋白序列上有98%的相似性。氨基酸残基变异出现在了S1/S2亚基连接处，并且29个残基变异中17个出现在RBD区域。研究根据61个可用的刺突蛋白序列与已有数据库进行了比较，只发现了9种氨基酸取代物能与2019-nCoV比对得上，但这9中氨基酸取代物都很保守，对于改变新冠病毒刺突蛋白结构和功能，作用非常有限。
由于ACE2是刺突蛋白的结合部分，因此，研究比对了2019-nCoV与SARS-CoV刺突蛋白与ACE2的亲和力。结果显示，2019-nCoV与ACE2的亲和力是SARS-CoV的10~20倍。并且作者制造了ACE2的结构与刺突蛋白结合图，冷冻电镜下，其结合形式与SARS-CoV高度相似。研究指出，新冠病毒刺突蛋白与ACE2的高亲和性，很可能有助于其产生高度人传人的传染性。
研究最后测试了目前发表的3种针对SARS-CoVRBD区域的多克隆抗体，不过，尽管两种病毒有很高的同源性，但是这三种与SARS-CoVRBD区域能紧密结合的多克隆抗体，在新冠病毒中完全没有结合力。这一结果暗示着，SARS-CoV研究中的抗体或许对2019-nCoV并没有作用，需要针对新冠病毒的特异性来重新设计新抗体。
不过，在冷冻电镜图公布于世的情况下，就能根据新冠病毒刺突蛋白结构制作“探针”，并从康复者血液中特异性地分离有效抗体制成疫苗。