西湖大學冷凍電鏡解析新冠病毒細胞受體結構：“開關”雙構象

人體細胞上相應的受體蛋白好比是一把“鎖”，病毒要想進入人體細胞，得有相應的“鑰匙”才能打開。新冠病毒的“鑰匙”是其S蛋白，而ACE2則是病毒入侵的“鎖”。

通過解析生物結構可以瞭解病毒細胞是如何與人類受體結合，進而入侵人體的。當地時間2月18日，生命科學預印本平臺bioRxiv發表了西湖大學周強實驗室的研究成果“Structure of dimeric full-length human ACE2in complex with B0AT1”，該團隊利用冷凍電鏡技術成功解析此次新冠病毒的受體——ACE2（血管緊張素轉化酶2）的全長結構。據悉，這是世界上首次解析出ACE2的全長結構。

此文的第一作者為西湖大學生命科學學院博士後鄢仁鴻，通訊作者為西湖大學生命科學學院研究員周強。論文的第一單位和通訊單位均為西湖大學浙江省結構生物學研究重點實驗室，該實驗室於2019年獲批成立，中科院院士施一公擔任實驗室主任。

研究團隊發現，該複合物以二聚體形式存在，隨著ACE2的肽酶結構域（PDs）轉移而呈現出“開放（open）”和“關閉（closed）”兩種構象。

結構建模表明，該ACE2-B0AT1複合物可以同時結合兩個S蛋白，這為冠狀病毒結構的進一步識別和感染人體的分子基礎提供了重要線索。

清華大學全球健康與傳染病研究中心主任張林琦教授認為，總體而言，ACE2全長結構的解析，

關於病毒的“鑰匙”——S蛋白的最新研究來自美國。美國國立衛生研究院（NIH）疫苗研究中心與得克薩斯大學奧斯汀分校分子生物科學學院合作，對新型冠狀病毒的S蛋白進行了近原子結構分析，同時認為，新冠病毒的S蛋白結合人體ACE2的親和力要遠高於嚴重急性呼吸綜合徵冠狀病毒（SARS-CoV）的S蛋白，這可能是新冠病毒感染性強的原因。

ACE2到底在細胞膜上是以什麼狀態存在？新冠病毒對比SARS病毒與ACE2結合有何異同？

由於作為膜蛋白的ACE2本身很難在體外穩定獲得，研究團隊通過共同表達的方法獲得了ACE2與腸道內的一種氨基酸轉運蛋白B0AT1的複合物，並利用西湖大學的冷凍電鏡平臺解析了其三維結構。

受體ACE2-B0AT1複合物：呈現開放和關閉兩種構象

儘管ACE2（宿主細胞受體血管緊張素轉化酶2）因被冠狀病毒“劫持”而為公眾所知，但正如其名，ACE2的主要生理作用是促進血管緊張素的成熟，血管緊張素是一種控制血管收縮和血壓的肽激素。

ACE2是一種I型膜蛋白，主要位於肺、心臟、腎臟和腸中，其表達水平與心血管疾病有關。新冠病毒感染後，人體內ACE2水平下降甚至缺失，是導致發生肺損傷和肺衰竭的關鍵因素之一。

ACE2-B0AT1 複合物的冷凍電鏡密度圖

ACE2-B0AT1複合物的原子模型展示，糖基化部分顯示為棒，複合物由亞基著色，ACE2前體中的蛋白酶結構域（PD）和Collectrin樣結構域（CLD）分別為青色和藍色

全長ACE2由一個N末端肽酶結構域（PD）和一個C末端Collectrin樣結構域（CLD）組成，CLD末尾包含單個跨膜螺旋和一個有約40個殘基的細胞內節段

ACE2中的PD負責裂解血管緊張素（Ang）I產生Ang-（1-9），然後被其他酶加工成為Ang-（1-7）。同時，根據此前的研究，爪狀ACE2-PD的晶體結構還提供了冠狀病毒S蛋白的直接結合位點。對於冠狀病毒細胞的結合而言，除PD之外，其餘ACE2在結構上均不可用。

研究團隊從418140個選定的粒子中以2.9Å的總分辨率進行了3D重建，該複合物以異二聚體的二聚體形式存在。團隊從同一數據集中提取了ACE2同型二聚體中PD的兩個構型，即開放和關閉。

複合物“開放（open）”和“關閉（closed）”兩種構象

結構比較表明，兩種構象的變化僅通過PD結構域的旋轉而實現，其餘複合物幾乎保持不變。

複合物可以同時結合兩個病毒S蛋白

研究發現，無論是在開放還是關閉狀態下，S蛋白都位於ACE2二聚體的外側。

因此，二聚體ACE2可同時容納兩個S蛋白三聚體。該結果表明，可能存在二聚體ACE2和三聚體S蛋白之間的潛在聚集，這可能對膜的內陷和病毒顆粒的內吞作用很重要，這一過程類似於其他受體介導的內吞作用。

在病毒感染過程中，糖基化起著重要作用。它使病毒粒子具有高度糖基化的表面 ,幫助它們免受人體免疫細胞識別和攻擊。研究團隊發現，在ACE2-PD的表面上觀察到了更多的糖基化位點（此前的研究觀察到2個），這是由於該研究的蛋白質ACE2是在哺乳動物細胞中取得的，而此前的研究則從桿狀病毒感染的昆蟲細胞中獲得。

ACE2中的糖基化位點，紅色球形為在本研究中發現的

在ACE2-B0AT1複合物的結構中，一共鑑定出7個糖基化位點，其中2個與以前的報告相同。

這些糖基化位點中，3個位於RBD（受體結合域）結合位點附近。此前的研究觀察到Asn90和Asn322兩個糖基化位點，而Asn53在本研究中被發現。

研究表明，氯喹可以干擾ACE2的末端糖基化，可以抑制SARS-CoV感染。同時，這些糖基化的部分是否直接參與病毒S蛋白與ACE2的結合尚待證實。

氯喹治療新冠肺炎的療效也在近日的國務院聯防聯控機制新聞發佈會上被提及。2月17日，科技部生物中心副主任孫燕榮在發佈會上稱，相關專家組一致認為，可以明確已在臨床上用了70多年的抗瘧藥磷酸氯喹治療新冠肺炎具有一定療效。

剖析2019-nCoV感染機制的重要框架

作者們在論文最後寫道，此次發表的結構揭示了二聚體組裝中全長ACE2的高分辨率結構，同時建模分析表明，冠狀病毒的兩個S蛋白三聚體同時與ACE2二聚體結合。這提醒我們病毒細胞入侵聚集發生，可能有助於內吞作用的膜內陷。

研究團隊認為，需要進一步的研究與表徵來檢驗ACE2與病毒顆粒之間的相互作用，以及輔助因子如BOAT1和整聯蛋白對該過程的影響。此次研究是剖析2019-nCoV感染機制的重要框架，並可能促進潛在臨床治療的發展。

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