西湖大学冷冻电镜解析新冠病毒细胞受体结构：“开关”双构象

人体细胞上相应的受体蛋白好比是一把“锁”，病毒要想进入人体细胞，得有相应的“钥匙”才能打开。新冠病毒的“钥匙”是其S蛋白，而ACE2则是病毒入侵的“锁”。

通过解析生物结构可以了解病毒细胞是如何与人类受体结合，进而入侵人体的。当地时间2月18日，生命科学预印本平台bioRxiv发表了西湖大学周强实验室的研究成果“Structure of dimeric full-length human ACE2in complex with B0AT1”，该团队利用冷冻电镜技术成功解析此次新冠病毒的受体——ACE2（血管紧张素转化酶2）的全长结构。据悉，这是世界上首次解析出ACE2的全长结构。

此文的第一作者为西湖大学生命科学学院博士后鄢仁鸿，通讯作者为西湖大学生命科学学院研究员周强。论文的第一单位和通讯单位均为西湖大学浙江省结构生物学研究重点实验室，该实验室于2019年获批成立，中科院院士施一公担任实验室主任。

研究团队发现，该复合物以二聚体形式存在，随着ACE2的肽酶结构域（PDs）转移而呈现出“开放（open）”和“关闭（closed）”两种构象。

结构建模表明，该ACE2-B0AT1复合物可以同时结合两个S蛋白，这为冠状病毒结构的进一步识别和感染人体的分子基础提供了重要线索。

清华大学全球健康与传染病研究中心主任张林琦教授认为，总体而言，ACE2全长结构的解析，将有助于理解冠状病毒进入靶细胞的结构基础和功能特征，对发现和优化阻断进入细胞的抑制剂有重要作用。

关于病毒的“钥匙”——S蛋白的最新研究来自美国。美国国立卫生研究院（NIH）疫苗研究中心与得克萨斯大学奥斯汀分校分子生物科学学院合作，对新型冠状病毒的S蛋白进行了近原子结构分析，同时认为，新冠病毒的S蛋白结合人体ACE2的亲和力要远高于严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）的S蛋白，这可能是新冠病毒感染性强的原因。

ACE2到底在细胞膜上是以什么状态存在？新冠病毒对比SARS病毒与ACE2结合有何异同？

由于作为膜蛋白的ACE2本身很难在体外稳定获得，研究团队通过共同表达的方法获得了ACE2与肠道内的一种氨基酸转运蛋白B0AT1的复合物，并利用西湖大学的冷冻电镜平台解析了其三维结构。

受体ACE2-B0AT1复合物：呈现开放和关闭两种构象

尽管ACE2（宿主细胞受体血管紧张素转化酶2）因被冠状病毒“劫持”而为公众所知，但正如其名，ACE2的主要生理作用是促进血管紧张素的成熟，血管紧张素是一种控制血管收缩和血压的肽激素。

ACE2是一种I型膜蛋白，主要位于肺、心脏、肾脏和肠中，其表达水平与心血管疾病有关。新冠病毒感染后，人体内ACE2水平下降甚至缺失，是导致发生肺损伤和肺衰竭的关键因素之一。

全长ACE2由一个N末端肽酶结构域（PD）和一个C末端Collectrin样结构域（CLD）组成，CLD末尾包含单个跨膜螺旋和一个有约40个残基的细胞内节段

ACE2中的PD负责裂解血管紧张素（Ang）I产生Ang-（1-9），然后被其他酶加工成为Ang-（1-7）。同时，根据此前的研究，爪状ACE2-PD的晶体结构还提供了冠状病毒S蛋白的直接结合位点。对于冠状病毒细胞的结合而言，除PD之外，其余ACE2在结构上均不可用。

研究团队从418140个选定的粒子中以2.9Å的总分辨率进行了3D重建，该复合物以异二聚体的二聚体形式存在。团队从同一数据集中提取了ACE2同型二聚体中PD的两个构型，即开放和关闭。

结构比较表明，两种构象的变化仅通过PD结构域的旋转而实现，其余复合物几乎保持不变。

复合物可以同时结合两个病毒S蛋白

研究发现，无论是在开放还是关闭状态下，S蛋白都位于ACE2二聚体的外侧。

因此，二聚体ACE2可同时容纳两个S蛋白三聚体。该结果表明，可能存在二聚体ACE2和三聚体S蛋白之间的潜在聚集，这可能对膜的内陷和病毒颗粒的内吞作用很重要，这一过程类似于其他受体介导的内吞作用。

在病毒感染过程中，糖基化起着重要作用。它使病毒粒子具有高度糖基化的表面 ,帮助它们免受人体免疫细胞识别和攻击。研究团队发现，在ACE2-PD的表面上观察到了更多的糖基化位点（此前的研究观察到2个），这是由于该研究的蛋白质ACE2是在哺乳动物细胞中取得的，而此前的研究则从杆状病毒感染的昆虫细胞中获得。

在ACE2-B0AT1复合物的结构中，一共鉴定出7个糖基化位点，其中2个与以前的报告相同。

这些糖基化位点中，3个位于RBD（受体结合域）结合位点附近。此前的研究观察到Asn90和Asn322两个糖基化位点，而Asn53在本研究中被发现。

研究表明，氯喹可以干扰ACE2的末端糖基化，可以抑制SARS-CoV感染。同时，这些糖基化的部分是否直接参与病毒S蛋白与ACE2的结合尚待证实。

氯喹治疗新冠肺炎的疗效也在近日的国务院联防联控机制新闻发布会上被提及。2月17日，科技部生物中心副主任孙燕荣在发布会上称，相关专家组一致认为，可以明确已在临床上用了70多年的抗疟药磷酸氯喹治疗新冠肺炎具有一定疗效。

剖析2019-nCoV感染机制的重要框架

作者们在论文最后写道，此次发表的结构揭示了二聚体组装中全长ACE2的高分辨率结构，同时建模分析表明，冠状病毒的两个S蛋白三聚体同时与ACE2二聚体结合。这提醒我们病毒细胞入侵聚集发生，可能有助于内吞作用的膜内陷。

研究团队认为，需要进一步的研究与表征来检验ACE2与病毒颗粒之间的相互作用，以及辅助因子如BOAT1和整联蛋白对该过程的影响。此次研究是剖析2019-nCoV感染机制的重要框架，并可能促进潜在临床治疗的发展。