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冠状病毒的刺突蛋白(Spike protein,S)(Spike蛋白、S蛋白)是病毒进入细胞和介导细胞融合的一个重要的病毒结构蛋白,也是冠状病毒最大的结构蛋白,相对分子量约为180000-200000,由1200-1500个氨基酸组成,包含21-35个N-糖基化位点,S蛋白以三聚体的形式在病毒表面形成特殊的花冠结构。

S蛋白的基本结构

S蛋白由较长的膜外区、跨膜区和膜内区组成,属于第一类病毒膜融合蛋白(Class I viral fusion protein)。不同冠状病毒的S蛋白最显著的区别在于病毒的组装和释放过程中是否被宿主蛋白酶切割。成熟的S蛋白通常会被宿主蛋白酶(半胱氨酸蛋白酶、胰蛋白酶等)切割成两个亚基:S1和S2。

  • S1亚基可进一步分成两个相对独立的区域(domain),分别是N-端区域(N-terminal domain,NTD)和C-端区域(C-terminal domain,CTD)。S1包含有受体结合域(receptor binding domain,RBD),大部分的冠状病毒S蛋白的RBD都位于CTD,例如SARS-CoV和MERS-CoV等。只有少部分β冠状病毒的RBD位于NTD(通常NTD结合糖类受体,CTD结合蛋白类受体)。
  • S2亚基通过跨膜区锚定在膜上,它含有膜融合过程所需要的基本元件,包括:一个内在的膜融合肽(fusion peptide,FP),两个7肽重复序列(heptad repeat,HR)、一个跨膜临近区(juxamembrain domain,JMD)和一个跨膜结构域(transmembrane domain,TMD),以及C末端的胞浆区域(cytoplasmic domain,CD)(约40个氨基酸长度)。
  • 两个HR即HR1和HR2,根据它们的位置又将其称为HR-N和HR-C,它们之间被大约140个氨基酸形成的中间螺旋结构隔开,当RBD与受体结合后,S2亚基通过将FP插入宿主细胞膜而改变构象,HR-N和HR-C各形成一个三螺旋结构,反平行排列集合成六螺旋束(6HB),共同组成一个融合核心,最终导致病毒膜与细胞膜融合。

S蛋白区域结构示意图

S蛋白介导冠状病毒的入侵过程

1、识别并结合宿主细胞受体

病毒通过S蛋白上受体结合域(receptor binding domain,RBD)与宿主细胞的受体结合。

目前,已发现的冠状病毒受体主要有以下几种:血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme II,ACE2),氨基肽酶N(animopeptidaseN,APN),二肽基肽酶4(dipeptidylpeptidase 4,DPP4),以及CEACAM1(carcinoembryonicantigen-related cell adhesion molecule)。其中,ACE2是SARS病毒和NL63的受体;APN是人冠状病毒229E、猫冠状病毒(FCoV)和猪冠状病毒TGEV的受体;DPP4是MERS病毒的受体;小鼠CEACAM1的α亚型是MHV的受体。许多冠状病毒RBD与宿主受体结合的复合物晶体结构已经获得解析,主要包括:SARS-RBD-ACE2复合物,NL63-RBD-ACE2复合物,MERS-RBD-DPP4复合物,HKU4-RBD-DPP4复合物,和MHV-RBD-mCEACAM1α复合物晶体结构。

2、病毒与宿主细胞融合

融合过程涉及介导入侵和辅助融合两个过程。

  • 介导入侵:当S蛋白的RBD与细胞表面受体(ACE2)的相应部位特异结合后,诱导S2的融合核心螺旋结构发生构象变化,卷曲螺旋折叠形成发夹样结构,发夹样结构使病毒与细胞膜拉在一起,最终引起融合,该步骤是病毒感染宿主细胞的关键。
  • 辅助融合:当SARS-CoV病毒入侵宿主细胞时,S蛋白的受体结合域与ACE2特异性结合后可诱导S蛋白发生构象改变,暴露出融合肽(FP)部分,促进膜融合的发生,融合肽穿过宿主细胞膜,促使病毒侵入细胞。

S蛋白的主要功能及其研究意义

S蛋白是冠状病毒最重要的表面蛋白,与病毒的传染能力及发病机制等密切相关。

  1. S蛋白的主要功能是与宿主细胞表面受体结合,引起自身构象变化,使疏水性的融合肽与细胞膜接近并融合介导病毒进入细胞内。其中:
    • S1主要负责受体的识别,并介导病毒与宿主细胞的受体结合。
    • RBD位于S1亚基上,负责识别细胞的受体,它决定了病毒的宿主范围和特异性(哪种细胞可成为宿主细胞被CoVs感染)。
    • S2可把整个S蛋白固定在细胞膜上,并介导病毒-宿主细胞以及病毒-细胞膜的融合。
  2. S蛋白是宿主中和抗体的重要作用位点。
  3. S蛋白可通过RBD的基因重组或突变可以实现不同宿主间传播,并导致较高致死率。
  4. S蛋白是疫苗设计的关键靶点:所有冠状病毒都具有保守的功能motif,分别位于S1(RBD序列具有高度保守性)和S2(S2比S1区域氨基酸序列更为保守)结构域,对RBD及S2区的研究,有助于设计病毒疫苗和开发新的抗冠状病毒药物。