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新皇冠病毒更具传染性？科学家们终于通过使用“金眼”冷冻电子显微镜技术找到了背后的原因——新冠状病毒的关键刺突蛋白(S蛋白)与人类细胞受体蛋白之间的亲和力远远高于非典病毒。要进入人体细胞，
病毒必须在人体细胞上找到相应的受体蛋白，而每个受体就像一把“锁”，需要一把相应的“钥匙”才能打开，然后进入细胞内部。新冠状病毒的“关键”是S蛋白自
新冠状病毒肺炎爆发以来，在新冠状病毒和宿主细胞之间起作用的关键尖峰糖蛋白(S蛋白)引起了各研究小组的极大关注。当地时间2月15日，美国国家卫生研究院(NIH)疫苗研究中心与奥斯汀德克萨斯大学分子生物学学院合作，在bioRxiv(生命科学的预印平台)上发表了一篇名为“2019-ncov融合前形成过程中尖峰的冷冻电镜结构”的文章，以分析新型冠状病毒中S蛋白的近原子结构
根据公布的基因组序列，研究小组合成并纯化了新型冠状病毒S蛋白的膜外部分随后，通过冷冻电子显微镜获得了纯化的S蛋白的3207张照片。经过三维重建，最终获得分辨率为3.5的S蛋白三聚体结构。
与非典病毒的结构相比，
研究小组认为新冠状病毒的S蛋白对人血管紧张素转换酶2(宿主细胞受体血管紧张素转换酶2)的亲和力远高于严重急性呼吸综合征冠状病毒的S蛋白
，这解释了为什么新冠状病毒比非典病毒更具传染性。
研究小组还测试了几个已发表的非典病毒RBD特异性单克隆抗体，发现它们并不显著结合新冠状病毒的S蛋白，表明RBD两种病毒之间抗体的交叉反应性可能有限。
这篇论文的通信作者是詹森·麦克勒朗，德克萨斯大学奥斯汀分校分子生物学学院的副教授。麦克勒朗是病毒研究方面的专家。在此之前，他在中东的中东地区做了许多非常重要的关于病毒结构的工作，如MERS-CoV和埃博拉病毒，包括通过冷冻电子显微镜和X射线晶体学分析冠状病毒。值得一提的是，
是本研究中首次发现新的冠状病毒S蛋白对ACE2的结合亲和力远高于非典型肺炎冠状病毒S蛋白。早在1月21日和1月23日，中国科学院上海巴斯德研究所的郝培等人和中国科学院武汉病毒学研究所的史等人都发表论文，提到
新型冠状病毒与非典病毒一样，是通过人血管紧张素转换酶2蛋白与S蛋白结合进入细胞的然而，病毒的关键S蛋白与宿主细胞
之间存在较大差异郝佩等
还用分子结构模拟的计算方法评价了新型冠状病毒和非典病毒的S蛋白与人血管紧张素转换酶2分子相互作用的能力。结果表明，尽管新型冠状病毒中的S蛋白与ACE2的相互作用低于非典型肺炎病毒，但其相互作用仍然很强。“尽管新型冠状病毒的新结构和ACE2蛋白之间的相互作用能力由于一些氢键的丧失而降低(与非典病毒的S蛋白和ACE2的作用相比)，但它仍然达到了强结合自由能(-50.6千卡/摩尔)“
和与之相关的病毒传染性目前已由许多小组给出数据。根据最近迄今为止对新冠状肺炎最大临床数据的分析，衡量该疾病传染性的
的基本传染数R0约为3.77
，即在没有保护措施的情况下，每个患者平均会传染3.77人，而比非典型肺炎病毒的R0(2.9-3.324)强。这也是迄今为止研究小组获得的新冠状病毒的最高R0值。值得一提的是，
是获得2017年诺贝尔化学奖的“冷冻电子显微镜”。
冷冻电子显微镜是一种利用冷冻固定和透射电子显微镜在低温下观察样品的显微技术，使研究人员能够“冷冻”生物分子，空前地观察和分析其运动过程。这一特征对生物化学的理解和药理学的发展具有决定性的影响，使生物化学进入一个新的时代。
新型冠状病毒如何侵入人类
研究小组发现新型冠状病毒利用高度糖基化的同源三聚体蛋白进入宿主细胞在经历许多结构重组后，S蛋白将病毒融合到宿主细胞的细胞膜中。这个过程包括病毒的S1亚基与宿主细胞受体的结合，触发三聚体不稳定的发生，这又导致S1亚基脱落，S2亚基形成高度稳定的融合结构
为了接近宿主细胞受体，S1亚单位中的受体结合结构域(RBD)将经历铰链样构象运动以隐藏或暴露关键受体结合位点在这个过程中，S1有两种状态:“下”结构代表受体的非结合状态，“上”结构代表受体的结合状态，但同时“上”结构相对不稳定。
图b是从不同角度观察的新冠状病毒s蛋白图像。RBD“向上”原型以带状显示，颜色对应于图a(绿色)。
使用公布的新冠状病毒序列(上图a)。作者通过亲和层析和凝胶排阻层析对蛋白进行了体外纯化，并利用冷冻电镜技术初步筛选出高颗粒密度的新型冠状病毒蛋白图像。
在收集和分析3207个蛋白质显微照片后，作者通过3D结构重组重建了蛋白质的3.5分辨率不对称三聚体图像，其中一个RBD位于“上”结构中(上图B)
研究小组通过使用3D可变性函数观察RBD的铰链状运动。值得注意的是，在与新冠状病毒密切相关的非典冠状病毒和中东呼吸综合征冠状病毒(中东呼吸综合征冠状病毒)中观察到了这种看似随机的RBD运动，在远离其亲属的猪流行性腹泻病毒(PEDV)的结构特征中也捕获到了这种运动。为什么
新冠状病毒更具传染性
作者比较了新冠状病毒与其他几种冠状病毒的结构2019-nCoV s蛋白的整体结构与SARS病毒s蛋白相似，且各结构具有高度同源性。它们之间最大的区别是RBD在各自“向下”结构中的位置差异
新型冠状病毒与非典型肺炎冠状病毒结构异同的比较作者发现，与非典型肺炎病毒相比，新型冠状病毒的RBD结构更靠近三聚体的中心部分，而非典型肺炎冠状病毒的“向下”构象的RBD结构更紧密地附着于邻近原体的N-末端结构域(NTD)。
，其s蛋白中的三个rbd之一将螺旋上升，导致S1亚基的脱落和S2折叠，从而使s蛋白更容易与宿主受体血管紧张素转换酶2(ACE2)结合
此外，以前的报道发现新的冠状病毒与非典病毒共享相同的宿主细胞受体ACE2。作者希望通过动力学测试来进一步证实两者之间的区别最近
的报道显示2019-nCoV的S蛋白和非典型肺炎-CoV的S蛋白具有与宿主细胞受体血管紧张素转换酶2(ACE2)相同的功能。作者用表面等离子体共振(SPR)动力学方法定量了病毒和这种受体之间的相互作用。
令人惊讶的是，通过表面等离子共振(SPR)分析获得的结果显示，
新冠状病毒S蛋白和ACE2的平衡解离常数KD为15纳米，而非典病毒S蛋白和ACE2的平衡解离常数KD达到325.8纳米更高的KD值意味着S蛋白和ACE2之间更多的解离和更弱的亲和力。
经计算，新的冠状病毒S蛋白与血管紧张素转换酶2的亲和力是非典病毒S蛋白与血管紧张素转换酶2的10倍甚至20倍(见上图A)
因此，研究小组认为，可能是新型冠状病毒S蛋白和ACE2之间的高亲和力使得新型冠状病毒肺炎易于在人与人之间传播。当然，需要进一步的研究来证实这个结论。
研究小组还形成了与新冠状病毒s蛋白胞外结构域结合的ACE2复合物(见上图b)，并通过高分辨率冷冻电子显微镜观察到其与非典病毒s蛋白和ACE2之间形成的复合物非常相似
新型冠状病毒对ACE2
具有很高的亲和力，这也表明尽管新型冠状病毒侵入宿主的机制与其他冠状病毒家族病毒相似，但它更具传染性。
新冠状病毒和蝙蝠冠状病毒鼠13
除非典病毒外，新冠状病毒和蝙蝠冠状病毒鼠13在S蛋白上的序列同源性高达96%然而，新型冠状病毒S蛋白最显著的区别在于它具有S1/S2蛋白酶切割位点的“RRAR”(弗林蛋白酶识别位点)氨基酸序列，而不是像在非典病毒中那样只有一个精氨酸这种
新冠状病毒的现象在流感病毒中更常见，其中强毒禽流感病毒和人流感病毒通常在流感血凝素蛋白的关键位置产生氨基酸插入，从而产生多聚弗林蛋白酶位点
除了S1/S2连接处的氨基酸残基不同外，新冠状病毒和鼠13病毒的S蛋白中有29个氨基酸残基，其中17个位于受体结合RBD位点
团队还分析了全球共享禽流感数据倡议(GISAID)数据库中61种新冠状病毒的S序列，发现在所有存储的序列中仅发现9个氨基酸替换。这些取代大多相对保守，预计不会对新冠状病毒的S蛋白结构或功能产生显著影响。
抗体实验
由于新型冠状病毒与非典型肺炎病毒之间的结构同源性和受体共享性，作者希望对已发表的抗RBD新型冠状病毒的非典型肺炎病毒RBD定向单克隆抗体进行交叉反应性试验
名作者通过BLI检测试剂盒评估了RBD传染性非典型肺炎单克隆抗体S230、m396和80R的交叉反应性
s230、m396和80R没有显著地将
结合到新的冠状病毒上，但是作者发现尽管这两种病毒的RBD结构非常相似，但是三种非典病毒的RBD抗体没有检测到在测试浓度(1μM)下新的冠状病毒与RBD的结合
研究人员认为，虽然这三种抗体的表位仅占新冠状病毒RBD表面积的一小部分，但由于没有观察到结合，可以认为抗非典病毒的抗体不一定与新冠状病毒具有交叉反应性，但新冠状病毒S蛋白将为未来抗体分离和治疗方案的设计提供重要参考。
