最新进展：西湖大学率先用冷冻电镜解析出新冠病毒细胞受体ACE2的完整空间结构

上周日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队，利用冷冻电镜技术，在全球范围内首次解析了新型冠状病毒的S蛋白结构

他们还发现ACE2蛋白与新型冠状病毒的亲和力竟是SARS病毒的10到20倍。这在一定程度上揭示了新冠病毒具备很强传染性的原因。给新冠肺炎的防治，贡献了来自基础科研领域的力量。

咱们国家有句老话叫，“知己知彼，百战百胜”。遗憾的是，我们现在虽然知道了新冠肺炎的S蛋白长啥样，但是竟然还不知道我们细胞表面被新冠病毒劫持的ACE2蛋白究竟长啥样。

好消息是，就在今天凌晨，西湖大学周强实验室利用冷冻电镜技术成功解析ACE2的完整结构。这也是全球范围内首次解析出ACE2的完整结构。这项研究成果今天凌晨发表在预印版平台bioRxiv上，论文第一作者是西湖大学生命科学学院博士后鄢仁鸿。

从左到右：鄢仁鸿和周强（图源：西湖大学）

我们都知道，在新冠肺炎疫情爆发之后没多久，中国科学院上海巴斯德研究所[2]和武汉病毒研究所[3]的科学家先后分别发现：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。

从那之后，新冠病毒的S蛋白和我们细胞表面的ACE2成为科学家们的研究重点。这才有了德克萨斯大学奥斯汀分校和西湖大学的研究成果。

实际上，ACE2这个蛋白并不是什么新发现。它的中文名字叫血管紧张素转化酶2，主要功能是促进血管紧张素（一种控制血管收缩和血压的激素）的形成，广泛存在于肺、心脏、肾脏和肠道等的细胞表面[4-6]。

完整ACE2蛋白包括两部分，一部分在细胞外面，科学家把它称作PD；另一部分在细胞里面，科学家把它叫做CLD，这个CLD有部分穿插在细胞膜里面。

被新冠病毒和SARS病毒劫持的就是ACE2摆在细胞外的PD那部分。

新冠病毒图（图源：NIAID-RML）

因为SARS病毒进入细胞也需要“抓住”ACE2留在细胞外面的部分，因此，很早之前就有科学家研究过ACE2的PD部分结构，甚至还分析了SARS的S蛋白如何与PD结合的[7-10]。

不过，之前的研究都是把ACE2的PD部分单独拿出来研究的，压根儿不知道ACE2整体怎么与病毒的S蛋白相互作用的。

基于以上的研究背景，周强实验室发起了对ACE2完整结构的紧急攻关。

ACE2-B⁰AT1复合物的冷冻电镜密度图

不过，要想研究完整的ACE2还真不容易，因为ACE2是个跨膜蛋白，很难在体外获得稳定结构。

于是周强和鄢仁鸿查阅了大量的文献资料，发现一个叫做B⁰AT1的氨基酸转运蛋白，极有可能稳住ACE2[11]。

没成想，把ACE2和B⁰AT1在HEK293F细胞中共表达，真的获得了优质稳定的复合物。

于是，他们基于西湖大学的冷冻电镜平台成功解析了ACE2和B⁰AT1复合体的三维结构，分辨率达到2.9埃（埃：0.1纳米），细胞外面那个识别病毒的PD部分的分辨率达到2.7埃。

经过一番分析，周强等发现，这个ACE2原来是以二聚体的形式存在，也就是说两个ACE2抱在一起，而且用来稳定ACE2的B

上图是两个ACE2蛋白聚合在一起，很像一双挥动的拳头

那么冠状病毒的S蛋白三聚体究竟是如何与ACE2二聚体结合的呢？

周强团队用SARS病毒的S蛋白做了一番研究。结果再次刷新认知，ACE2二聚体摆在细胞外面的两个PD，分别可以与一个S蛋白的三聚体结合。也就是说，一个ACE2二聚体，结合了两个S蛋白的三聚体。

ACE2的两个PD部分与两个S蛋白三聚体结合

研究人员认为，S蛋白三聚体与ACE2二聚体的这种结合方式，可能对细胞膜内陷和病毒颗粒的内吞有非常重要的作用。

这次研究与之前相比，还有一个新发现。由于之前研究ACE2的胞外PD部分是在昆虫细胞中表达的，所以不能反映ACE2的PD部分糖基化情况。

这一回他们是在哺乳动物细胞内表达的ACE2，

前不久，中科院病毒所和军事科学院军事医学研究院的研究人员发现，抗疟疾和治疗自身免疫性疾病的磷酸氯喹（Chloroquine），能在体外有效抑制新型冠状病毒[12]。早就有研究表明，氯喹可以干扰ACE2的末端糖基化[13]。当然，氯喹会不会通过这个机制干扰ACE2和S蛋白的结合，还有待进一步研究。

新冠病毒图（图源：NIAID-RML）

此外，周强团队还有个重要的发现：虽然B⁰AT1不参与ACE2的二聚化（也就是说，在体内的情况下，即使没有B⁰AT1的存在，ACE2也是可以二聚化的），但是B⁰AT1的存在会影响跨膜丝氨酸蛋白酶2（TMPRSS2）对ACE2的切割。

为什么说这个研究很重要呢？因为TMPRSS2对ACE2的切割，可以增强病毒进入细胞的效率[14]。现在你应该明白了吧，如果表达ACE2的细胞同时表达B⁰AT1的话，病毒进入细胞的效率可能会因此大打折扣。

那哪些细胞表达B⁰AT1呢？肾脏和肠道的B⁰AT1表达水平高，而肺部细胞B⁰AT1的表达水平就非常低，甚至是没有表达。

那么这个发现是不是就解释了新冠病毒主要感染肺呢？这需要科学家进一步去探索。

ACE2的结构（旋转着看）

“总体而言，ACE2全长结构的解析，将有助于理解冠状病毒进入靶细胞的结构基础和功能特征，对发现和优化阻断进入细胞的抑制剂有重要作用”，清华大学全球健康与传染病研究中心主任张林琦教授说[15]。

[1].https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.17.951848v1

[2].http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-020-1637-5?slug=abstract

[3].https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.01.22.914952v2

[4].Donoghue M, Hsieh F, Baronas E, et al. A Novel Angiotensin-Converting Enzyme–Related Carboxypeptidase (ACE2) Converts Angiotensin I to Angiotensin 1-9[J]. Circulation Research, 2000, 87(5).

[5].https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.01.30.927806v1

[6].Zhao Y, Zhao Z, Wang Y, et al. Single-cell RNA expression profiling of ACE2, the putative receptor of Wuhan 2019-nCov[J]. bioRxiv, 2020.

[7].Li F, Li W, Farzan M, et al. Structure of SARS Coronavirus Spike Receptor-Binding Domain Complexed with Receptor[J]. Science, 2005, 309(5742): 1864-1868.

[8].Towler P, Staker B L, Prasad S G, et al. ACE2 X-ray structures reveal a large hinge-bending motion important for inhibitor binding and catalysis.[J]. Journal of Biological Chemistry, 2004, 279(17): 17996-18007.

[9].Song W, Gui M, Wang X, et al. Cryo-EM structure of the SARS coronavirus spike glycoprotein in complex with its host cell receptor ACE2.[J]. PLOS Pathogens, 2018, 14(8).

[10].Kirchdoerfer R N, Wang N, Pallesen J, et al. Receptor binding and proteolysis do not induce large conformational changes in the SARS-CoV spike[J]. bioRxiv, 2018.

[11].https://www.fasebj.org/doi/10.1096/fj.08-107300

[12].https://www.nature.com/articles/s41422-020-0282-0

[13].https://virologyj.biomedcentral.com/articles/10.1186/1743-422X-2-69

[14].https://jvi.asm.org/content/88/2/1293.long

[15].https://www.westlake.edu.cn/info/1017/4353.htm

本文作者丨BioTalker

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