2020年新冠病毒（SARS-CoV-2）肆虐全球,。這次疫情，將全球目光再一次聚焦到冠狀病毒所屬的囊膜病毒上,，今年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎頒給了丙肝病毒的發(fā)現(xiàn)者,，是對常年堅持囊膜病毒的研究者們一次巨大鼓勵,。然而，普通大眾對病毒的科普認知仍然存在誤區(qū),，新冠病毒一度就是個“看不見的敵人”——因為看不見,，所以有疏于防范的可能。
全球首次從內(nèi)到外完整揭示新冠病毒全病毒精細結(jié)構(gòu)
從今年1月起,，清華大學生命學院研究員李賽便立下決心,，向全球“招貼新冠病毒高清通緝照”。近日,，該項目結(jié)出果實,，李賽課題組和浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國家重點實驗室李蘭娟院士課題組緊密合作，利用冷凍電鏡斷層成像和子斷層平均重構(gòu)技術(shù)成功解析了新冠病毒（SARS-CoV-2）全病毒三維結(jié)構(gòu),，這一重要研究成果于北京時間2020年9月15日以“新冠病毒的全分子結(jié)構(gòu)”（Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus）為題在國際權(quán)威學術(shù)期刊《細胞》雜志上在線發(fā)表,。
首次解析新冠全病毒分子結(jié)構(gòu)
這項研究首次解析了新冠病毒全病毒的高分辨率分子結(jié)構(gòu)，使世界對新冠病毒的認識更進一步,，為抗擊疫情,、治療新冠肺炎打下堅實全面的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在這項研究中,，浙大團隊提供了經(jīng)嚴格滅活,、含有新冠病毒的細胞培養(yǎng)液，保證了樣品的天然結(jié)構(gòu),。清華團隊在二級實驗室提純濃縮病毒后,，使用實驗室開發(fā)的高通量、高分辨冷凍電鏡斷層成像技術(shù)（cryo-ET）,，采集了100TB數(shù)據(jù),，從中篩選出2294顆病毒顆粒（目前已知的新冠病毒最大cryo-ET數(shù)據(jù)集），并從病毒表面及體內(nèi)挑選出5.5萬個刺突蛋白和2萬個核糖核蛋白復合物,。利用這些數(shù)據(jù),，李賽團隊重構(gòu)出一顆具有代表性的完整病毒三維結(jié)構(gòu)，分辨率最高達7.8?,。統(tǒng)計結(jié)果表明,，新冠病毒囊膜平均直徑約80納米，表面約有30個刺突蛋白,，內(nèi)部約有30個核糖核蛋白復合物,。
新冠病毒結(jié)構(gòu)及冷凍電鏡斷層圖像
原位狀態(tài)下深度分析刺突蛋白結(jié)構(gòu)
新冠病毒的“皇冠”特征，來源于它表面的刺突蛋白,，凸起于病毒表面,，是其侵入人體細胞的“鑰匙”，目前大多數(shù)疫苗和抗體的研發(fā)均聚焦于該蛋白。
該研究解析出處于融合前狀態(tài)及融合后狀態(tài)的三種不同構(gòu)象刺突蛋白結(jié)構(gòu),。結(jié)果表明,，刺突蛋白在病毒表面呈隨機分布，且可自由擺動,，類似于古代武器“鏈錘”,，這種靈活的特性有利于“鑰匙”及時調(diào)整方向，同細胞上更多的“鎖”（受體）結(jié)合而增加侵染細胞幾率,。刺突蛋白也很脆弱,，滅活和提純方式不當可能導致其部分、甚至完全脫落,，產(chǎn)生不正常的“禿”病毒,。該發(fā)現(xiàn)為滅活病毒類疫苗提供了分子分辨率的結(jié)構(gòu)及統(tǒng)計上的提示。
刺突蛋白表面有多達66個糖基化修飾,，這些糖像盾牌一樣保護病毒不被免疫識別,。此前還沒有對病毒上天然狀態(tài)下糖基化修飾的詳細研究,。在清華大學蛋白質(zhì)化學與組學平臺的幫助下,，該問題得到詳細解答——相比于重組刺突蛋白，原位的糖基更大也更復雜,，但總體而言相似性較大,，這種相似性保證了重組刺突蛋白疫苗研發(fā)工作的有效性。
開創(chuàng)性揭示正義單鏈RNA病毒核糖核蛋白復合物天然結(jié)構(gòu)及組裝機制
新冠病毒的所有遺傳信息都編碼在其核糖核酸（RNA）上,。病毒想要“繁衍”下一代,，就必須保護好這根“生命之源”。冠狀病毒的RNA是所有已知RNA病毒中最長的,，其直線長度可達自身直徑的100倍,。如何把這根核酸“長繩”完整有序地纏繞進僅有數(shù)十納米直徑的體內(nèi)，是所有病毒都要費勁解決的幾何難題,。這個重任主要落在核蛋白上,，它像線軸一樣收納RNA，將其有序纏繞,，并組裝成稱為核糖核蛋白復合物（RNP）的高級結(jié)構(gòu),，才能將RNA完整塞進病毒體內(nèi)。在病毒發(fā)生膜融合及去組裝后,，它又能有條不紊地釋放RNA,，讓它順利進行復制。這個包裝方法及過程,，不僅對于新冠病毒是個未解之謎,，甚至在所有正義單鏈RNA病毒中也是幾何謎題。
李賽課題組對病毒內(nèi)近2萬顆RNP進行了挑選和分析，開創(chuàng)性地展示了病毒腔內(nèi)RNP的結(jié)構(gòu)及組裝機制,。該復合物像串珠一樣將RNA組織在一起,，并在病毒體內(nèi)呈現(xiàn)六聚“鳥巢”型和正四面體“金字塔”型兩種局部排列，有序地收納了RNA這根“長繩”,，還增加了病毒在復雜環(huán)境中經(jīng)受物理挑戰(zhàn)的能力,。這與研究較多的負義單鏈RNA病毒差別較大，是世界范圍內(nèi)首次“看清”正義單鏈RNA病毒的內(nèi)部結(jié)構(gòu),。
學界及社會反饋
這一真實的病毒三維圖像讓“看不見的敵人”清晰地展現(xiàn)在世人面前,，首次讓世界看到新冠病毒全病毒結(jié)構(gòu)。法國科學院院士,、著名結(jié)構(gòu)病毒學家Felix A.Rey教授來信祝賀道：“這是一個里程碑式的工作”,。
成果受到全球多家媒體報道或垂詢。李賽課題組第一時間免費向全球分享所有結(jié)構(gòu),，對疫苗及抗體研發(fā),、疫情防控宣傳、科普教育,、分子動力學模擬等有重要作用,。
李賽課題組新冠課題攻關(guān)團隊合影（從左至右：張哲源、宋雨桐,、孫楚杰,、李賽、陳勇,、張佳星,、徐家璐）
清華大學李賽研究員為本文的第一通訊作者（lead contact），浙江大學李蘭娟院士為本文的共同通訊作者,。姚航平（浙江大學）,、宋雨桐（清華大學博士生）、陳勇（清華大學博士后）,、吳南屏（浙江大學）,、徐家璐（清華大學博士生）為并列第一作者。另外,，李賽課題組的孫楚杰,、張佳星、張哲源也參與了該工作,。同時,，該項工作得到了多位結(jié)構(gòu)及病毒學專家的大力協(xié)助，包括清華大學施一公院士,、英國南安普頓大學Max Crispin教授,、清華大學雷建林博士,。項目的順利開展，得益于王宏偉教授,、顏寧教授,、王新泉教授、張林琦教授,、丁強教授,、李雪明教授的支持和討論，同時也得到清華大學冷凍電鏡平臺,、生物計算平臺,、蛋白質(zhì)化學與組學平臺的支持。研究工作得到清華大學人才啟動經(jīng)費,、北京高精尖結(jié)構(gòu)生物學創(chuàng)新中心,、清華-北大生命聯(lián)合中心的支持。
論文鏈接及DOI：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31159-4
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.018
（清華新聞網(wǎng)10月14日電）
供稿：生命學院
編輯：李華山
審核：程曦
