在SARS-CoV-2感染初期，这种病毒利用它的表面上的刺突蛋白（S蛋白）附着到人体细胞上。S蛋白是疫苗研发的核心，这是因为它能触发人体免疫反应。在一项新的研究中，来自德国马克斯-普朗克生物物理学研究所（MPI）、欧洲分子生物学实验室（EMBL）、保罗-埃里希研究院（Paul-Ehrlich-Institut，PEI）和法兰克福歌德大学等研究机构的研究人员着重关注这种病毒的表面结构，以获得可用于开发疫苗和治疗感染患者的有效疗法的新见解。相关研究结果于2020年8月18日在线发表在Science期刊上，论文标题为“In situ structural analysis of SARS-CoV-2 spike reveals flexibility mediated by three hinges”。
这些作者结合低温电子断层扫描（cryo-electron tomography, cryo-ET）、子断层扫描图平均化（subtomogram averaging）和分子动力学模拟，在近原子分辨率下分析了S蛋白在它的自然环境中、完整病毒颗粒上的分子结构。利用EMBL最先进的低温电镜成像设备，他们生成了大约1000个SARS-CoV-2病毒的266幅低温电子断层扫描图，每个病毒表面平均携带40个S蛋白刺突。子断层扫描图平均化和图像处理，再结合分子动力学模拟，最终提供了关于这些S蛋白刺突的重要和新的结构信息。
这些结果令人吃惊：他们的数据显示，S蛋白的球状部分，包含受体结合区域和与靶细胞融合所需的区域，而且这个球状部分连接到一个柔性的茎区域。论文共同通讯作者、EMBL小组负责人、MPI主任Martin Beck解释道，“S蛋白刺突的上部球状部分具有用于疫苗开发的重组蛋白很好重现的结构。然而，我们关于茎区域将S蛋白的球状部分固定在病毒表面上的发现是新的。”
论文共同通讯作者、法兰克福歌德大学生物物理学研究所的Gerhard Hummer补充道，“预计这个茎区域是非常刚性的。但在我们的计算机模型和实际图片中，我们发现这个茎区域是非常柔性的。”通过结合分子动力学模拟和低温电子断层扫描，他们确定了三个关节--髋关节、膝关节和踝关节--这三个关节赋予了茎区域的柔性。
论文共同通讯作者、保罗-埃里希研究院主任Jacomine Krijnse Locker解释道，“就像绳子上的气球一样，这些S蛋白刺突似乎在SARS-CoV-2病毒表面上移动，因此能够寻找ACE2受体以便附着到靶细胞上。”
为了防止感染，这些S蛋白刺突可由抗体加以靶向。然而，这些图片和模型还显示，整个S蛋白，包括它的茎区域，都覆盖着聚糖（glycan）链。这些聚糖链提供了一种保护性的外层，从而让这些S蛋白刺突免受中和抗体的攻击：这是研制有效疫苗和药物的另一个重要发现。
