李兰娟与清华李赛团队联合揭示国际首个新冠病毒全病毒精细结构

  新冠肺炎疫情是百年来全球发生的最严重的传染病大流行,是新中国成立以来我国遭遇的传播速度最快、感染范围最广、防控难度最大的重大突发公共卫生事件。科学家们也一直致力于揭开它的神秘面纱:

  新冠病毒为什么传染性这么强?

  它究竟长什么样?

  人类如何战胜它?

  疫情发生后,李兰娟院士带队驰援武汉的同时还不忘顶层设计,指导科研团队开展病毒生物学研究。一方面,科研团队想要弄清楚新冠病毒与其他冠状病毒及普通的流感病毒在生物结构上是否有区别,以揭示病毒的致病机制;另一方面,研发疫苗同样也需要病毒精细结构解析。于是,依托传染病诊治国家重点实验室领先全国的病毒学研究能力与清华大学生命科学学院强大的结构生物学前沿技术,双方强强联合,历时4个半月开展科研攻关,取得重大突破。

  2020年9月14日,浙江大学医学院附属第一医院传染病诊治国家重点实验室李兰娟院士课题组与清华大学生命科学学院李赛研究员课题组紧密合作,在国际权威学术杂志《细胞》(Cell,影响因子38.637)在线发表题为“Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus”的研究成果,在国际上首个解析了真实新型冠状病毒全病毒三维精细结构,达到了前所未有的分辨率,并原位揭示了刺突蛋白的天然构象及其分布特征,以及核糖核蛋白复合物在病毒体内的结构及其分子组装过程,对深入了解新冠病毒的生物特性、疫苗设计、抗病毒药物研发等具有重要意义。

  01

  成功揭示全球首个新冠病毒全病毒三维结构,人类对新冠病毒的认识更进一步

  想要解析全病毒精细结构实属不易!进行新冠病毒学研究,需要对病毒进行有效灭活,但不恰当的灭活或纯化方式极易破坏其天然构象,导致刺突蛋白从病毒表面脱落而变成“光秃的”病毒。如何既实现病毒的有效灭活又保证结构完整性?科研团队使出“秘密武器”,在以往积累的病毒学研究的扎实基础上,优化病毒培养体系及收获时间、筛选有效的灭活剂及固定剂、改进病毒制样技术和工艺程序,成功解决这一难题,获得用于冷冻电镜分析的高质量的病毒样本。

  研究人员将从一名重症患者体内分离得到的病毒株在体外大量培养并有效灭活和固定后,进行病毒超速离心纯化、冷冻电镜成像和数据采集。通过分析处理319套倾转系列中的2294颗病毒粒子(为目前已知的关于新冠病毒最大的冷冻电镜断层成像数据集),获得了病毒的精确尺寸大小与形态、表面刺突蛋白天然构象与分布、病毒体内核糖核蛋白复合物结构及组装形式等重要信息,并重构出一个具有代表性的病毒高清三维结构。

  在此之前,国际上对新冠病毒的结构研究大都聚焦于某一个部位或者蛋白分子,该研究在国际上首个解析了真实新型冠状病毒全病毒的精细结构,并原位揭示S蛋白天然构像和分布、核糖核蛋白复合物在病毒体内的分子组装过程等。这项研究所揭示的新冠病毒全病毒结构达到了前所未有的分辨率,并阐明了该病毒如何在直径约80纳米的体腔中组装和堆积其约30Kb长的单股RNA,最终使“看不见的敌人”清晰地展现在世人面前。这对深入了解新冠病毒的生物特性、疫苗设计及中和抗体研究、抗病毒药物研发等具有重要的意义。

  02

  原位解析了新型冠状病毒表面刺突蛋白的天然构象,分析刺突蛋白的糖基化组成

  冠状病毒因其如日冕般外围的冠状而得名,病毒表面的这些冠状物质叫做刺突蛋白,是一种糖蛋白,也是我们能看到的最直观的病毒结构。它的作用就是感染细胞,可以说是病毒侵入人体细胞的“钥匙”,如果没有了刺突蛋白,病毒也就不具有感染性了。

  研究发现新冠病毒的刺突蛋白具有柔性,可在病毒表面自由摆动,类似于“链锤”。这种灵活的特性有利于病毒与细胞表面受体结合而入侵细胞,可能也与病毒强感染性有关。

  可能新冠病毒也意识到自己已成为全人类的健康公敌,科研人员发现,它的刺突蛋白的朝向也很有趣,懂得“自我保护”。如果把刺突蛋白比喻成一把伞,雨伞张开被称为“向上”,雨伞关闭被称为“向下”。当刺突蛋白向上时,它就像亮出了自己的武器一样,疯狂感染人体健康细胞。此时,如果人体细胞不幸被刺中,那么就面临感染的风险。而当刺突蛋白向下,它就像收起兵器,以免被机体识别击溃。研究发现,新冠病毒的刺突蛋白97%都是向下的,这也就成为它不易被药物和理化因素破坏的原因之一。

  科研团队进一步通过质谱分析刺突蛋白的糖基化组成,发现体外重组表达的刺突蛋白与病毒原位状态刺突蛋白的糖基化修饰具有相似性,这对灭活病毒疫苗、基因工程重组疫苗以及中和抗体的研发等具有重要指导意义。

  03

  揭示新冠病毒核糖核蛋白复合物RNPs的天然结构和组装机制,发现病毒强抵抗力的秘密所在

  除了刺突蛋白,新冠病毒的核心——核糖核蛋白复合物,在该研究中也取得了重要进展。核糖核蛋白复合物是病毒核酸与蛋白的结合体,病毒所有的遗传信息都储存在里面,可以调控病毒各种蛋白的表达及生物特性,可谓是“病毒的灵魂”。

  早前的研究发现新冠病毒的核糖核酸长度是同类病毒中最长的,达到病毒自身直径的100倍。那么病毒是如何将达到自身长度100倍的核糖核酸不纠缠、不打结、不断裂、完好无损地装进自己体内,一直是个未解之谜。现在终于有了答案。原来,这些复合物像串珠一样把核糖核酸组织在一起,并在病毒体腔内有序排列,这不仅解决了在有限空间内收纳超过自身容量核糖核酸的难题,还加固了病毒本身结构,使它能够经受住人体外复杂环境中的各种理化因素破坏的挑战,这也可以用来解释新冠病毒长期在外环境存活的一个重要因素。

  核糖核蛋白复合物RNPs的天然结构及其组装机制。显示RNP的两种不同类型的超微结构:六聚体(橙色框)和四聚体(红色框);七个RNP被包裹在病毒包膜内(灰色),形成“巢中蛋”形的六聚体组件,四个RNP被包装成无膜的四聚体组件(下);RNP六聚体组装成球形病毒,四聚体组装成椭球型病毒。

  该论文的第一作者是姚航平(浙江大学)、宋雨桐(清华大学)、陈勇(清华大学)、吴南屏(浙江大学)、徐家璐(清华大学),通讯作者为李兰娟院士(浙江大学)和李赛研究员(清华大学)。

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责编:刘雨菲

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