人體細胞上相應(yīng)的受體蛋白好比是一把“鎖”，病毒要想進入人體細胞，得有相應(yīng)的“鑰匙”才能打開。新冠病毒的“鑰匙”是其S蛋白，而ACE2則是病毒入侵的“鎖”。

　　通過解析生物結(jié)構(gòu)可以了解病毒細胞是如何與人類受體結(jié)合，進而入侵人體的。當?shù)貢r間2月18日，生命科學(xué)預(yù)印本平臺bioRxiv發(fā)表了西湖大學(xué)周強實驗室的研究成果“Structure of dimeric full-length human ACE2in complex with B0AT1”，該團隊利用冷凍電鏡技術(shù)成功解析此次新冠病毒的受體——ACE2(血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2)的全長結(jié)構(gòu)。據(jù)悉，這是世界上首次解析出ACE2的全長結(jié)構(gòu)。

　　此文的第一作者為西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后鄢仁鴻，通訊作者為西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員周強。論文的第一單位和通訊單位均為西湖大學(xué)浙江省結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究重點實驗室，該實驗室于2019年獲批成立，中科院院士施一公擔任實驗室主任。

　　研究團隊發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合物以二聚體形式存在，隨著ACE2的肽酶結(jié)構(gòu)域(PDs)轉(zhuǎn)移而呈現(xiàn)出“開放(open)”和“關(guān)閉(closed)”兩種構(gòu)象。

　　結(jié)構(gòu)建模表明，該ACE2-B0AT1復(fù)合物可以同時結(jié)合兩個S蛋白，這為冠狀病毒結(jié)構(gòu)的進一步識別和感染人體的分子基礎(chǔ)提供了重要線索。

　　清華大學(xué)全球健康與傳染病研究中心主任張林琦教授認為，總體而言，ACE2全長結(jié)構(gòu)的解析，將有助于理解冠狀病毒進入靶細胞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和功能特征，對發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化阻斷進入細胞的抑制劑有重要作用。

　　關(guān)于病毒的“鑰匙”——S蛋白的最新研究來自美國。美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)疫苗研究中心與得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校分子生物科學(xué)學(xué)院合作，對新型冠狀病毒的S蛋白進行了近原子結(jié)構(gòu)分析，同時認為，新冠病毒的S蛋白結(jié)合人體ACE2的親和力要遠高于嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)的S蛋白，這可能是新冠病毒感染性強的原因。

　　ACE2到底在細胞膜上是以什么狀態(tài)存在？新冠病毒對比SARS病毒與ACE2結(jié)合有何異同？

　　由于作為膜蛋白的ACE2本身很難在體外穩(wěn)定獲得，研究團隊通過共同表達的方法獲得了ACE2與腸道內(nèi)的一種氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白B0AT1的復(fù)合物，并利用西湖大學(xué)的冷凍電鏡平臺解析了其三維結(jié)構(gòu)。

　　受體ACE2-B0AT1復(fù)合物：呈現(xiàn)開放和關(guān)閉兩種構(gòu)象

　　盡管ACE2(宿主細胞受體血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2)因被冠狀病毒“劫持”而為公眾所知，但正如其名，ACE2的主要生理作用是促進血管緊張素的成熟，血管緊張素是一種控制血管收縮和血壓的肽激素。

　　ACE2是一種I型膜蛋白，主要位于肺、心臟、腎臟和腸中，其表達水平與心血管疾病有關(guān)。新冠病毒感染后，人體內(nèi)ACE2水平下降甚至缺失，是導(dǎo)致發(fā)生肺損傷和肺衰竭的關(guān)鍵因素之一。

　　ACE2-B0AT1 復(fù)合物的冷凍電鏡密度圖

　　ACE2-B0AT1復(fù)合物的原子模型展示，糖基化部分顯示為棒，復(fù)合物由亞基著色，ACE2前體中的蛋白酶結(jié)構(gòu)域(PD)和Collectrin樣結(jié)構(gòu)域(CLD)分別為青色和藍色

　　全長ACE2由一個N末端肽酶結(jié)構(gòu)域(PD)和一個C末端Collectrin樣結(jié)構(gòu)域(CLD)組成，CLD末尾包含單個跨膜螺旋和一個有約40個殘基的細胞內(nèi)節(jié)段

　　ACE2中的PD負責裂解血管緊張素(Ang)I產(chǎn)生Ang-(1-9)，然后被其他酶加工成為Ang-(1-7)。同時，根據(jù)此前的研究，爪狀A(yù)CE2-PD的晶體結(jié)構(gòu)還提供了冠狀病毒S蛋白的直接結(jié)合位點。對于冠狀病毒細胞的結(jié)合而言，除PD之外，其余ACE2在結(jié)構(gòu)上均不可用。

　　研究團隊從418140個選定的粒子中以2.9？的總分辨率進行了3D重建，該復(fù)合物以異二聚體的二聚體形式存在。團隊從同一數(shù)據(jù)集中提取了ACE2同型二聚體中PD的兩個構(gòu)型，即開放和關(guān)閉。

　　復(fù)合物“開放(open)”和“關(guān)閉(closed)”兩種構(gòu)象

　　結(jié)構(gòu)比較表明，兩種構(gòu)象的變化僅通過PD結(jié)構(gòu)域的旋轉(zhuǎn)而實現(xiàn)，其余復(fù)合物幾乎保持不變。

　　復(fù)合物可以同時結(jié)合兩個病毒S蛋白

　　研究發(fā)現(xiàn)，無論是在開放還是關(guān)閉狀態(tài)下，S蛋白都位于ACE2二聚體的外側(cè)。

　　因此，二聚體ACE2可同時容納兩個S蛋白三聚體。該結(jié)果表明，可能存在二聚體ACE2和三聚體S蛋白之間的潛在聚集，這可能對膜的內(nèi)陷和病毒顆粒的內(nèi)吞作用很重要，這一過程類似于其他受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用。

　　在病毒感染過程中，糖基化起著重要作用。它使病毒粒子具有高度糖基化的表面 ，幫助它們免受人體免疫細胞識別和攻擊。研究團隊發(fā)現(xiàn)，在ACE2-PD的表面上觀察到了更多的糖基化位點(此前的研究觀察到2個)，這是由于該研究的蛋白質(zhì)ACE2是在哺乳動物細胞中取得的，而此前的研究則從桿狀病毒感染的昆蟲細胞中獲得。

　　ACE2中的糖基化位點，紅色球形為在本研究中發(fā)現(xiàn)的

　　在ACE2-B0AT1復(fù)合物的結(jié)構(gòu)中，一共鑒定出7個糖基化位點，其中2個與以前的報告相同。

　　這些糖基化位點中，3個位于RBD(受體結(jié)合域)結(jié)合位點附近。此前的研究觀察到Asn90和Asn322兩個糖基化位點，而Asn53在本研究中被發(fā)現(xiàn)。

　　研究表明，氯喹可以干擾ACE2的末端糖基化，可以抑制SARS-CoV感染。同時，這些糖基化的部分是否直接參與病毒S蛋白與ACE2的結(jié)合尚待證實。

　　氯喹治療新冠肺炎的療效也在近日的國務(wù)院聯(lián)防聯(lián)控機制新聞發(fā)布會上被提及。2月17日，科技部生物中心副主任孫燕榮在發(fā)布會上稱，相關(guān)專家組一致認為，可以明確已在臨床上用了70多年的抗瘧藥磷酸氯喹治療新冠肺炎具有一定療效。

　　剖析2019-nCoV感染機制的重要框架

　　作者們在論文最后寫道，此次發(fā)表的結(jié)構(gòu)揭示了二聚體組裝中全長ACE2的高分辨率結(jié)構(gòu)，同時建模分析表明，冠狀病毒的兩個S蛋白三聚體同時與ACE2二聚體結(jié)合。這提醒我們病毒細胞入侵聚集發(fā)生，可能有助于內(nèi)吞作用的膜內(nèi)陷。

　　研究團隊認為，需要進一步的研究與表征來檢驗ACE2與病毒顆粒之間的相互作用，以及輔助因子如BOAT1和整聯(lián)蛋白對該過程的影響。此次研究是剖析2019-nCoV感染機制的重要框架，并可能促進潛在臨床治療的發(fā)展。