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冠状病毒（cov）是一种有包膜的正链RNA病毒。它们包括严重急性呼吸综合征（SARS）和中东呼吸综合征（MERS），这两种疾病都与严重的死亡有关。目前全球流行的疾病2019年冠状病毒病（COVID-19）则是由一种新型病毒SARS-CoV-2引起的。膜融合是冠状病毒侵染宿主细胞和建立感染的关键步骤。冠状病毒上的刺突蛋白（S蛋白）是一种高度糖基化的I型膜蛋白，包含S1和S2两大亚单位，并以三聚体的形式锚定在病毒膜上。其S1中的受体结合结构域（RBD）与宿主细胞受体（血管紧张素转换酶2，Ace2)结合，并在丝氨酸蛋白酶等的进一步蛋白酶水解下，从融合前结构（prefusion)到融合后结构(postfusion)改变提供能量促使病毒和细胞膜融合。自SARS-CoV-2的基因组序列发布后，S蛋白复合物的多种结构都被解析出来，包括prefusion状态的S蛋白胞外域结构和RBD-Ace2复合物。通过胞外域结构，科学家发现prefusion状态的S蛋白存在两种不同的构象“闭”和“开”。“闭”构象中RBD结构域向下（RBD-down)，受体不可及；“开”构象中RBD结构域向上(RBD-up)，使得受体更容易结合。该结构的解析快速给全球科学家开发新型冠状病毒疫苗提供了基础。然而，该结构中存在为了进一步稳定胞外域的多处突变，且基于其他类型冠状病毒的研究，科学家发现靠近病毒膜的区域和跨膜区在结构和功能上也起着关键性作用。刺突蛋白全长结构仍然未知。
近日，来自哈佛医学院波士顿儿童医院的陈冰课题组（共同一作Yongfei Cai和张君）在Science杂志上发表了题为“Distinct conformational states of SARS-CoV-2 spike protein”的文章， 在这项研究中，作者解析了S蛋白全长prefusion状态和postfusion状态两种构象的结构。
在使用detergent进行纯化过程中，作者发现prefusion和postfusion两种构象均存在。通过冷冻电镜技术，作者展示了其2.9埃（prefusion)和3.0埃（postfusion)清晰度的高清结构图。
该研究发现，全长S蛋白prefusion状态与已报道的胞外域S蛋白结构整体相似。不同的是:1. 该结构的N-末端如SARS-CoV样是有序的，且通过cys15-cys136 形成二硫键；2.该结构发现了”融合肽近端区“片段（FPPR，828-853氨基酸）。FPPR通过内部Cys840-851二硫键紧紧包裹，并通过Lys835与Asp848之间的盐桥以及周围广泛的氢键网络进一步形成有序的结构。与已报道的胞外域RBD-up结构相比，作者发现CTD1是RBD和FPPR之间的一个结构中继，可以感知两侧的位移。FPPR会直接影响邻近CTD1的构象，并进一步抑制RBD从而稳定S蛋白三聚体处于闭合状态。在该研究发表的同时，多篇有关于FPPR的功能文章也进一步证实了其重要性功能。3.与胞外域S蛋白相比，全长S蛋白三聚体更紧密。胞外域S蛋白三聚体结构中三个S1亚单位相对更往外移动约12埃，其突变K986P破坏了Lys986与Asp47/Asp428之间的盐桥。
除此之外，该研究也解析了S蛋白postfusion状态结构。作者发现融合后S2蛋白三聚体不仅具有非常稳定和刚性的结构，并且其表面布满N-连接的聚糖修饰，Asn1098/Asn1134/Asn1158/Asn1173/Asn1194五个聚糖沿长轴规则间距定位，支链糖的结合可将postfusion状态S蛋白与外界屏蔽。鉴于融合后S蛋白已完成任务，这种修饰机制尚不清楚。作者提出其可能是S2融合后结构也存在于感染性成熟病毒颗粒的表面，通过诱导非中和性抗体反应逃避宿主免疫系统，并保护存在于病毒颗粒表面的融合前S蛋白三聚体。近期报到的多篇冷冻断层技术研究展示的病毒颗粒表面的S2融合蛋白三聚体的存在，提供了该假设的可能性。
综上所述，作者首次解析了S蛋白融合前和融合后的结构，更加完善了新型冠状病毒感染的机制。目前各种形式S蛋白相关的疫苗研究正在快速的进行动物模型的临床前和人类的临床试验，该研究对当前的疫苗策略提出了一些潜在的担忧。首先，使用S蛋白全长野生型序列的疫苗可以在体内产生作者在这里观察到的各种形式。融合后的构象可以暴露免疫优势，非中和表位，分散宿主免疫系统，如其他病毒，如HIV-1和RSV。第二，通过在986和987残基引入脯氨酸突变来稳定预融合构象的方法可能不是最佳的，因为K986P突变可能会打破原聚体之间有助于三聚体稳定性的盐桥。由此产生的S三聚体结构具有松弛的顶端，可能诱导抗体不能有效识别病毒上的S三聚体，尽管它在诱导抗RBD中和反应方面可能比封闭形式更有效。第三，考虑到感染性病毒中存在融合后S2的可能性，使用β-丙内酯-灭活病毒的疫苗可能需要额外的质量控制测试。尽管在三次免疫后，PiCoVacc似乎能为非人灵长类动物提供抵御挑战的保护，但尚不清楚如何减少融合后S2三体的数量以避免批量变化。如果SARS-CoV-2具有季节性，并且与流感病毒一样，随着抗原漂移而返回，结构导向的免疫原设计可能尤为关键。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1586
