近日（2月15日），美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Jason S. McLellan团队，在预印版平台BioRxiv上发表了一项研究论文，该团队首次利用冷冻电镜技术解析了此次新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的spike (S) protein（S蛋白，刺突蛋白）结构。

更为重要的是，他们利用表面等离子共振技术（SPR）分析了S蛋白与ACE2的亲和力，发现新型冠状病毒的S蛋白与受体ACE2的结合能力比SARS病毒更强（10到20倍）。

(研究病毒的专家，在MERS和埃博拉等病毒的结构方面做了很多非常重要的工作)

2月11日，中国国家疾控中心等研究机构联合发表的题为“Epidemiological and clinical features of the 2019 novel coronavirus outbreak in China”的文章中，近9000例新冠肺炎（COVID-19）确诊病例和疑似病例数据显示，COVID-19的基本传染数R0高达3.77。这比之前《新英格兰医学杂志》上，国家疾控中心团队基于425名患者流行病学资料得出的R0值2.2高得多，当然这可能与早期病例明显的延迟报告有关。但也因此明确了，从传染能力上来说，SARS-CoV-2高于SARS病毒（R0：0.85-3）。而McLellan团队此次的发现或许能解释为什么新冠病毒感染能力如此强。

S蛋白的冷冻电镜结构

新型冠状病毒感染人体细胞的关键在于S蛋白与ACE2蛋白的结合。在COVID-19疫情爆发之后没多久，中国科学院上海巴斯德研究所和武汉病毒研究所的科学家便先后发现，新型冠状病毒和SARS病毒一样，也是通过利用S蛋白结合人体细胞表面的ACE2蛋白进入细胞的，但二者的S蛋白同源性比较低（只有76.47%）。

因此，搞清楚新型冠状病毒S蛋白的结构，以及它与ACE2之间的相互作用，或许就能搞清楚为什么新冠肺炎的传染性比SARS强。McLellan团队的研究人员首先根据已经公开的基因组序列，合成并纯化了新型冠状病毒S蛋白的膜外部分。然后用冷冻电镜给纯化的S蛋白拍了3207张照片，经过3D重建，获得了分辨率为3.5 ?的S蛋白三聚体结构。

此前有研究认为，由于两种病毒的S蛋白（刺突蛋白）高度相似，因此，靶向SARS病毒刺突蛋白的抗体也可能作用于SARS-CoV-2。研究人员测试了3种已发表的SARS病毒 RBD特异性单克隆抗体（S230、m396和80R），发现它们与SARS-CoV-2突刺蛋白没有明显的结合，这表明两种病毒RBD之间的抗体交叉反应性可能受到限制。三聚体的主要状态为三个受体结合结构域（RBD）之一向上旋转为受体可及构象。

通过与SARS病毒的结构比较，研究人员发现新型冠状病毒的S蛋白与SARS病毒的在结构上存在差异，但是整体上看相似度很高。从S蛋白的三聚体来看，新型冠状病毒的三聚体更容易与细胞表面的ACE2蛋白结合。

新冠病毒和SARS病毒的结构比较（图片来源：参考出处1）

而通过表面等离子共振技术（SPR）分析得到的结果发现，新型冠状病毒S蛋白与ACE2的平衡解离常数KD是15 nM，而SARS病毒S蛋白与ACE2的平衡解离常数KD竟然达到了325.8 nM。KD值越大说明解离越多，S蛋白与ACE2的亲和力越弱。经过计算，新型冠状病毒S蛋白与ACE2的亲和力，是SARS病毒S蛋白与ACE2之间亲和力10倍，甚至20倍。

新冠病毒（左）和SARS病毒（右）的S蛋白与ACE2的亲和力比较（图片来源：参考出处1）

基于S蛋白的疫苗和抗体药物的开发

SARS-CoV-2是一种单链RNA正链包膜β冠状病毒。与SARS和MERS类似，它的基因组编码非结构蛋白（例如3-胰凝乳蛋白酶样蛋白酶（3-chymotrypsin-like protease），木瓜蛋白酶样蛋白酶（papain-like protease）、解旋酶（helicase）、和RNA依赖性RNA聚合酶（RdRp））、结构蛋白（例如刺突糖蛋白（spike glycoprotein，S蛋白））和辅助蛋白。

4种非结构蛋白是病毒增殖中起关键作用的酶，此前提出的“老药新用”策略中，例如获批的法匹拉韦（Favipiravir）和在研的瑞得西韦（Remdesivir）等，大多数是针对这些非结构蛋白中的RdRp。

而S蛋白是病毒侵入细胞时病毒-细胞受体相互作用所必须的,也是目前开发针对SARS-CoV-2的疫苗、治疗性抗体和诊断方法的关键目标。

2020年2月12日，Vir Biotechnology宣布鉴定出结合新冠病毒（SARS-CoV-2）的两款单克隆抗体。两款单抗结合新冠病毒的S蛋白，结合表位是ACE2结合介导进入细胞的部位。现在Vir Biotechnology正与国际合作者共同评估对于新冠病毒的中和活性，是否能有效阻止病毒侵入细胞。

2月11日，mRNA疫苗研发的领先企业Moderna公司发布最新报告称，该公司针对此次新冠病毒的mRNA疫苗已完成候选疫苗的临床批次生产。候选疫苗研发代码为mRNA-1273，正式进入研发管线，从1月13日确定mRNA疫苗的序列，到2月7日完成临床样品的生产分装，仅用了25天时间。mRNA-1273编码新冠病毒的Spike(S) protein（刺突蛋白），目前正处于分析测试阶段，放行后即将投放到美国国立卫生研究院（NIH）的第一阶段临床试验中。

1月28日，三叶草生物制药（Clover Biopharmaceuticals）宣布正式启动SARS-CoV-2疫苗的研发，该公司采用其独有的Trimer-Tag（蛋白质三聚体化）专利技术和基因重组的方法构建SARS-CoV-2冠状病毒的“S蛋白-三聚体”抗原疫苗，将通过基于哺乳动物细胞培养的快速表达系统生产，预计6-8周后可获得高纯度的“S蛋白-三聚体”疫苗，进而完成相关临床前的安全性及有效性检测。

Moderna与三叶草生物的候选疫苗均靶向新冠病毒的S蛋白，只是Moderna的mRNA-1273为mRNA形式，mRNA在体内再表达S蛋白。2月11日，三叶草生物宣布在哺乳动物细胞内成功表达 “S-三聚体” 新型冠状肺炎病毒（SARS-CoV-2）重组蛋白疫苗，并在成都高新区政府和成都市公共卫生临床医疗中心的大力协助下，用新获得的 “S-三聚体” 抗原在多例病毒感染患者康复后血清中检测到病毒特异性抗体。这一结果表明 “S-三聚体” 重组疫苗保留了新冠病毒S-蛋白抗原天然的结构，因此 “S-三聚体” 疫苗有望在人体中诱导保护性的免疫反应

如果疫苗被证明是成功的，三叶草生物将具备内部 cGMP 生物制造能力以扩大生产规模。

而此次McLellan团队基于冷冻电镜对其结构进行了较高分辨率的解析，则为后续疫苗和抗病毒药物的研发，提供了重要的结构生物学数据支撑。据McLellan实验室透露，针对S蛋白的新冠肺炎疫苗，已经由本研究的参与者，美国国立卫生研究院疫苗研发中心的Barney Graham团队展开测试。

结语

目前，COVID-19的病死率并不高，低于SARS和MERS病毒；但其高传染性或许是此次疫情防控的主要障碍之一，我们期待此次McLellan团队的发现能有效推进疫情防控工作的开展。

希望疫情的阴霾早日散去，抗疫勇士们平安归来！

参考出处：

1.https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.11.944462v1.full.pdf+html

2.https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.02.10.20021675v1

3.https://www.mclellanlab.org/lab-members

4.https://www.biospace.com/article/releases/vir-biotechnology-identifies-two-antibodies-that-bind-to-the-spike-protein-of-2019-ncov-newly-named-as-sars-cov-2/

来源：医麦客   作者：江江