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(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了丙肝病毒的發(fā)現(xiàn)者，是對(duì)常年堅(jiān)持囊膜病毒的研究者們一次巨大鼓勵(lì)。然而，普通大眾對(duì)病毒的科普認(rèn)知仍然存在誤區(qū)，新冠病毒一度就是個(gè)“看不見(jiàn)的敵人”——因?yàn)榭床灰?jiàn)，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(xì)結(jié)構(gòu)
從今年1月起，清華大學(xué)生命學(xué)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(xiàng)目結(jié)出果實(shí)，李賽課題組和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《細(xì)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(xiàng)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(duì)新冠病毒的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步，為抗擊疫情、治療新冠肺炎打下堅(jiān)實(shí)全面的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在這項(xiàng)研究中，浙大團(tuán)隊(duì)提供了經(jīng)嚴(yán)格滅活、含有新冠病毒的細(xì)胞培養(yǎng)液，保證了樣品的天然結(jié)構(gòu)。清華團(tuán)隊(duì)在二級(jí)實(shí)驗(yàn)室提純濃縮病毒后，使用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(wàn)個(gè)刺突蛋白和2萬(wàn)個(gè)核糖核蛋白復(fù)合物。利用這些數(shù)據(jù)，李賽團(tuán)隊(duì)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(dá)7.8?。統(tǒng)計(jì)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(gè)刺突蛋白，內(nèi)部約有30個(gè)核糖核蛋白復(fù)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(lái)源于它表面的刺突蛋白，凸起于病毒表面，是其侵入人體細(xì)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(jī)分布，且可自由擺動(dòng)，類似于古代武器“鏈錘”，這種靈活的特性有利于“鑰匙”及時(shí)調(diào)整方向，同細(xì)胞上更多的“鎖”（受體）結(jié)合而增加侵染細(xì)胞幾率。刺突蛋白也很脆弱，滅活和提純方式不當(dāng)可能導(dǎo)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(jì)上的提示。
刺突蛋白表面有多達(dá)66個(gè)糖基化修飾，這些糖像盾牌一樣保護(hù)病毒不被免疫識(shí)別。此前還沒(méi)有對(duì)病毒上天然狀態(tài)下糖基化修飾的詳細(xì)研究。在清華大學(xué)蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)的幫助下，該問(wèn)題得到詳細(xì)解答——相比于重組刺突蛋白，原位的糖基更大也更復(fù)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(kāi)創(chuàng)性揭示正義單鏈RNA病毒核糖核蛋白復(fù)合物天然結(jié)構(gòu)及組裝機(jī)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(hù)好這根“生命之源”。冠狀病毒的RNA是所有已知RNA病毒中最長(zhǎng)的，其直線長(zhǎng)度可達(dá)自身直徑的100倍。如何把這根核酸“長(zhǎng)繩”完整有序地纏繞進(jìn)僅有數(shù)十納米直徑的體內(nèi)，是所有病毒都要費(fèi)勁解決的幾何難題。這個(gè)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(fù)合物（RNP）的高級(jí)結(jié)構(gòu)，才能將RNA完整塞進(jìn)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(jìn)行復(fù)制。這個(gè)包裝方法及過(guò)程，不僅對(duì)于新冠病毒是個(gè)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(duì)病毒內(nèi)近2萬(wàn)顆RNP進(jìn)行了挑選和分析，開(kāi)創(chuàng)性地展示了病毒腔內(nèi)RNP的結(jié)構(gòu)及組裝機(jī)制。該復(fù)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(niǎo)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(zhǎng)繩”，還增加了病毒在復(fù)雜環(huán)境中經(jīng)受物理挑戰(zhàn)的能力。這與研究較多的負(fù)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(xué)界及社會(huì)反饋
這一真實(shí)的病毒三維圖像讓“看不見(jiàn)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(guó)科學(xué)院院士、著名結(jié)構(gòu)病毒學(xué)家Felix A.Rey教授來(lái)信祝賀道：“這是一個(gè)里程碑式的工作”。
成果受到全球多家媒體報(bào)道或垂詢。李賽課題組第一時(shí)間免費(fèi)向全球分享所有結(jié)構(gòu)，對(duì)疫苗及抗體研發(fā)、疫情防控宣傳、科普教育、分子動(dòng)力學(xué)模擬等有重要作用。
李賽課題組新冠課題攻關(guān)團(tuán)隊(duì)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(xué)李賽研究員為本文的第一通訊作者（lead contact），浙江大學(xué)李蘭娟院士為本文的共同通訊作者。姚航平（浙江大學(xué)）、宋雨桐（清華大學(xué)博士生）、陳勇（清華大學(xué)博士后）、吳南屏（浙江大學(xué)）、徐家璐（清華大學(xué)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(shí)，該項(xiàng)工作得到了多位結(jié)構(gòu)及病毒學(xué)專家的大力協(xié)助，包括清華大學(xué)施一公院士、英國(guó)南安普頓大學(xué)Max Crispin教授、清華大學(xué)雷建林博士。項(xiàng)目的順利開(kāi)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(qiáng)教授、李雪明教授的支持和討論，同時(shí)也得到清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、生物計(jì)算平臺(tái)、蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)的支持。研究工作得到清華大學(xué)人才啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、北京高精尖結(jié)構(gòu)生物學(xué)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(xué)院
編輯：李華山
審核：程曦
