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《Cell：清华大学和浙江大学联手揭示新冠病毒的分子结构》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： hujm
  • 发布时间：2020-09-24

  • 新型冠状病毒SARS-CoV-2导致2019年冠状病毒病（COVID-19），如今正在全球肆虐。疫苗是控制大流行迫切需要的必要对策。目前还没有针对SARS-CoV-2的人类疫苗，但大约有120种候选疫苗正在研发中。

    SARS-CoV-2与另外两种密切相关的高致病性病毒SARS-CoV和 MERS-CoV同属冠状病毒科β冠状病毒属。SARS-CoV-2有一个大小为30kb的正义、单链RNA基因组。它的核衣壳蛋白（N）和由膜蛋白（M）、包膜蛋白（E）以及刺突蛋白（S）组成的外膜包覆着它的基因组。

    与SARS-CoV一样，SARS-CoV-2的S蛋白通过受体结合结构域（RBD）与它们共同的受体血管紧张素转换酶2（ACE2）结合，介导病毒进入宿主细胞。在此之前，科学家们已经证实，SARS-CoV和MERS-CoV的RBD包含主要的构象依赖性中和表位，并能够在免疫动物中引起强效的中和抗体，因而是有希望的疫苗开发靶标。

    尽管最近在SARS-CoV-2蛋白的结构阐明方面取得了进展，但完整病毒的详细结构仍有待揭晓。

    在一项新的研究中，来自中国清华大学和浙江大学等研究机构的研究人员利用低温电子断层扫描（cryo-electron tomography, cryo-ET）和子断层扫描图平均化（subtomogram averaging, STA）技术，报道了真实的SARS-CoV-2病毒的分子结构。相关研究结果于2020年9月14日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus”。

    这些研究人员确定了SARS-CoV-2刺突蛋白在融合前和融合后构象下的天然结构，平均分辨率为8.7～11埃。

    他们利用质谱分析了天然的SARS-CoV-2刺突蛋白中的N-连接聚糖（N-linked glycan）的组成，发现这些天然N-连接聚糖的整体加工状态与重组SARS-CoV-2刺突蛋白上的聚糖加工状态高度相似。

    他们揭示出SARS-CoV-2核糖核蛋白（ribonucleoprotein, RNP）的天然构象及其高阶组装体。总的来说，这些表征极其详细地揭示了SARS-CoV-2病毒的结构，并阐明了这种病毒如何将它的长达大约30 kb的单分段RNA包装在直径为大约80 nm的壳体内。

  • 原文来源：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0092867420311594;https://news.bioon.com/article/6778756.html
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  • 《Science：新研究揭示尼帕病毒附着糖蛋白的结构和抗原性》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
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    • 在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学等研究机构的研究人员针对尼帕病毒（Nipah virus, NiV）和亨德拉病毒（Hendra virus, HeV）如何攻击宿主细胞以及试图对抗这种攻击的免疫反应提供了新细节。这些结果指明了预防和治疗这些致命疾病的多管齐下的策略。相关研究结果于2022年3月3日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Architecture and antigenicity of the Nipah virus attachment glycoprotein”。 尼帕病毒和亨德拉病毒属于亨德拉尼帕病毒属（henipavirus, HNV），都是由原产于世界某些地区的蝙蝠携带。这些亨德拉尼帕病毒会在物种之间跳跃，并能感染许多其他哺乳动物，包括人类。它们引起脑部炎症和呼吸道症状。感染这些病毒的人有50%至100%的机会死亡。已经有一种疫苗被批准用于马身上，一种改良版的疫苗进入了人体临床试验。 马可以通过唾液和鼻腔分泌物将可能因吃了被蝙蝠污染的水果而感染的亨德拉病毒传播给它们的照料者。一种实验性的、但尚未被批准的、有望对抗尼帕病毒和亨德拉病毒的交叉反应性抗体已被提供给15个有高风险接触的人。这是在紧急同情使用准则下进行的。这种抗体正在澳大利亚进行一项临床试验，它刚刚完成第一阶段的测试。目前还没有获批用于人类的疫苗或药物来对抗这些亨德拉尼帕病毒，除了支持性护理，患者能够克服这类病毒感染的希望是有限的。 在几个月前发现一种新的亨德拉病毒毒株后，设计拯救生命的预防措施和治疗方法的新尝试变得更加紧迫。在过去20年里，孟加拉国几乎每年都会爆发尼帕病毒疫情。在印度和菲律宾也出现了这种疾病。在非洲的人和狐蝠中已经检测到了抗亨德拉尼帕病毒抗体。据估计，世界上有20亿人生活在由蝙蝠或中间动物载体传播的亨德拉尼帕病毒可能构成威胁的地区。 论文通讯作者、华盛顿大学医学院生物化学副教授David Veesler博士研究了蝙蝠对许多危险病毒的免疫力，并对冠状病毒、其他相关病毒和亨德拉尼帕病毒的感染性复合物进行分子结构和功能研究。他的实验室还研究了抗体和病毒的相互作用，为设计这两种病毒的抗病毒药物和疫苗提供了线索。论文第一作者为华盛顿大学生物化学研究生Zhaoqian Wang。 这些作者解释说，尼帕病毒和亨德拉病毒通过协同发挥作用的附着糖蛋白（attachment glycoprotein, G）和融合糖蛋白（fusion glycoprotein, F）进入宿主细胞。这些糖蛋白是抗体防御系统的关键靶标。 通过低温电镜，这些作者能够确定尼帕病毒的感染性复合物的一种关键组成部分在与一种广泛中和抗体的一个片段相互作用时的结构。他们还观察到抗体混合物在一起时能更好地解除尼帕病毒的武装。在一组针对亨德拉病毒的抗体中也观察到了类似的协同效应。这种组合使用的力量也有助于阻止出现逃逸突变体，以避开抗体反应。 对接种了尼帕病毒感染性复合物的一种关键部分的实验室动物的抗体反应进行研究，提供了重要信息。该分析表明病毒受体结合蛋白的哪个区域在激发免疫反应方面起主导作用。 这些作者说，在这项研究之前，关于亨德拉尼帕病毒负责激发抗体反应的一种关键部分（称为HNV G蛋白）的结构，目前尚无任何资料。这种信息的缺乏是理解免疫力和改进候选疫苗设计的一个障碍。 如今，这些作者发现了HNV G蛋白的三维结构和一些构象动态，这可能更接近于构建一种模板来开发新的和改进的疫苗。在对更复杂的发现的简化描述中，HNV G蛋白结构的一个重要部分有一个颈部和四个头部。四个头部中只有一个将它的受体结合点转向潜在宿主细胞的方向；另外三个则转向病毒膜的方向。这使病毒结构可以自由地重新调整头部的方向，以便与宿主受体结合。 这些作者指出，该结构然后“采用了一种独特的两头朝上和两头朝下的构象，与任何其他副黏液病毒附着糖蛋白不同”。副黏液病毒是一个大型的单链RNA病毒家族。它们会导致几种不同类型的疾病，其中大多数是通过呼吸道飞沫传播的。它们包括麻疹、腮腺炎、犬瘟热、副流感和新近从动物传染给人类的亨德拉尼帕病毒疾病。 在研究对尼帕病毒和亨德拉病毒附着糖蛋白的抗体反应的性质时，这些作者探究了用这种糖蛋白免疫的两种动物。强效的、多样化的中和抗体反应随后出现了。他们发现它的头部结构域是免疫诱导的抗体中和的主要（如果不是唯一的）靶标，即便使用了完整的四聚体。这表明这种抗体反应的范围缩小到了受体结合区。 这些作者指出，这些发现“为开发改进稳定性和免疫原性的下一代候选疫苗工程提供了蓝图”。这项新的研究将重点关注头部结构域的脆弱性。他们预计将采用一种类似于较新的计算机工程化SARS-CoV-2和呼吸道合胞病毒候选物所采用的设计方法。头部抗原的嵌合体将以多价、有序阵列的形式呈现给身体。只使用头部结构域而不是完整的附着糖蛋白也可以使大量疫苗的制造变得更加简单。 参考资料： Zhaoqian Wang et al. Architecture and antigenicity of the Nipah virus attachment glycoprotein. Science, 2022, doi:10.1126/science.abm5561.
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  • 《Cell子刊揭示寨卡病毒基因组RNA二级结构图谱》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
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    • 11月21日，清华大学生命科学学院张强锋课题组、药学院谭旭课题组在《细胞宿主与微生物》（Cell Host & Mircobe）期刊在线发表题为《寨卡病毒基因组RNA结构的综合分析揭示了病毒感染性的关键决定因素》（Integrative Analysis of Zika Virus Genome RNA Structure Reveals Critical Determinants of Viral Infectivity）的研究论文。该论文对寨卡病毒的RNA基因组在二级结构层次进行了综合分析和建模,并在此基础上发现且验证了一个只在流行株系中特异性存在的长程RNA-RNA相互作用，研究表明该相互作用可能促进寨卡病毒流行株系的细胞感染功能。论文显示了RNA二级结构对寨卡病毒的重要作用，阐释了调控RNA病毒传染性和毒性的新型分子机制，为相关药物开发提供了重要的结构基础。 寨卡病毒是一种黄热病毒。与登革病毒、乙型脑炎等常见典型黄热病毒类似，寨卡病毒通过蚊虫叮咬在人类和其它动物中传播，对人类健康有严重的威胁。寨卡病毒有两个流行株系：一个比较古老的非洲株系，于 1947年发现于非洲；另一种是流行的亚洲株系（又称美洲株系），原在东南亚流行，后在南美洲和中北美洲爆发。目前，对人类威胁较大的株系是亚洲株系。早在2013年法属波利尼西亚群岛（大溪地）和2015年巴西的寨卡疫情中，人们就发现感染寨卡病毒孕妇的胎儿会有小头畸形的症状，同时亚洲株系也被发现会引起格林巴氏综合症。2016年寨卡病毒大规模流行，据统计感染规模超过百万人；因此被世界卫生组织宣布为国际公共卫生紧急事件。 自从大规模流行以后，寨卡病毒吸引了广泛的研究关注。一个重要的科学问题是理解流行株系和非流行株系的基因组差异在病毒传播过程中的作用。以前的研究主要关注氨基酸或者说蛋白质的差异。比如在2017年，军事医学科学院的秦成峰课题组和清华大学的程功课题组分别报道了两个关键的病毒蛋白的氨基酸单位点突变，这些突变对寨卡流行病毒株系的毒性和传播有关键提升作用。然而，比较基因组的分析结果表明，寨卡病毒流行株系和非流行株系的大部分基因组差异并不带来氨基酸的变化，而是发生在非编码区的突变和编码区的同义突变。这些在蛋白层次“沉默”的突变有可能在RNA层次造成功能和调控的差异。然而，由于技术的限制，人们对此所知甚少。 抢先索取Axiom小麦基因分型芯片的更多资料领 取 和其它黄热病毒一样，寨卡病毒的基因组是一条长为一万个核苷酸左右的正链RNA，其中包括编码全部11个病毒蛋白的编码区以及5’端和3’端的非编码区域。在本研究中，研究者综合利用了两种新型的、基于高通量测序技术的RNA二级结构研究手段，平行解析并比较了亚洲株系和非洲株系的寨卡病毒在哺乳动物细胞内的基因组RNA结构。这两种新技术包括利用小分子修饰结合深度测序探测RNA二级结构的icSHAPE技术（2015年发表于Nature），和利用小分子交联结合深度测序检测RNA分子相互配对作用的PARIS技术（2016年发表于Cell）。研究者将测得的icSHAPE和PARIS数据和已知病毒RNA元件的二级结构进行了系统比较，验证了两种技术解析病毒RNA结构的有效性。以PARIS数据为依据，对寨卡病毒RNA基因组进行了RNA结构域的划分，并在结构域的基础上，结合icSHAPE数据和RNA结构预测软件，构建了亚洲和非洲株系寨卡病毒全基因组RNA的二级结构模型。 值得注意的是，结合 PARIS数据和寨卡病毒各亚型的系统进化分析，研究者从中发现了一个亚洲株系特异的5’端非编码区和病毒包膜蛋白编码区之间的长距离RNA-RNA相互作用。在这个区域，亚洲株系相对于非洲株系有很大的核苷酸差异。这些差异都特异的位于氨基酸密码子的第三位因而不影响编码蛋白，但却形成了亚洲株系中特异RNA相互作用的基础。研究者对这个RNA-RNA相互作用进行了突变和回补实验，验证了其对亚洲株系的重要性，如果破坏该相互作用会大幅降低寨卡病毒在神经胶质瘤细胞中的感染性。这个结果揭示了RNA二级结构对于病毒感染性调控的复杂性和重要性，对于理解病毒的基因组组成和进化，开发新型基于RNA的抗病毒药物都有启示意义。 清华大学生命学院张强锋研究员和药学院谭旭研究员为本文的通讯作者，CLS项目博士生李盼、生命学院博士生魏逸凡、梅淼和PTN项目博士生生唐磊为本文共同第一作者。本工作得到了军事科学院秦成峰、加州大学河边分校和清华大学姜涛、苏州大学戴剑锋等的帮助，并获得国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、清华大学结构生物学高精尖中心、清华-北大生命科学联合中心和国家青年相关人才计划项目的资金支持。
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