冠状病毒S蛋白与细胞受体的相互作用

作者：关洪鑫

病毒与宿主的进化史就是一部入侵与反入侵的斗争史，病毒想尽一切办法感染宿主细胞，而宿主则尽量阻止病毒入侵和感染，或者将病毒的危害降至最低，实现共存。最近，MERS（中东呼吸综合征）肆虐韩国，人们不禁担心其是否会像SARS一样灾难性的大流行。

冠状病毒本身广泛的存在于野生动物中，那么，是什么原因导致它们跨越物种感染人类？这些病毒又为什么能入侵不同的宿主？要回答这些问题，我们不仅需要了解冠状病毒表面刺突蛋白（Spike，S蛋白）本身的结构，还需要清楚它与宿主细胞受体共同构架的类似于“桥梁”的结构（S蛋白-受体复合物）以及它们在病毒入侵过程是如何发挥关键作用。

病毒进入宿主细胞，首先必须能够识别宿主细胞，建立一座“桥梁”，联通彼此，进而突破细胞膜屏障进入细胞内部。在冠状病毒感染宿主细胞的过程中，S蛋白特异性识别细胞表面受体并形成复合物是决定病毒入侵的关键性因素。冠状病毒可以分为α、β、γ和δ四个属，每个属又可以分成不同的亚型，其中β属可以分为A、B、C和D四个亚型。目前已知的可以感染人类的冠状病毒有六种，分别是：α属的hCoV-229E和hCoV-NL63，β属中A亚型的hCoV-OC43 和 hCoV-HKU1，B亚型的SARS-CoV以及C亚型的MERS-CoV。这些冠状病毒表面S蛋白的整体空间结构类似，但与受体的相互作用却千差万别。S蛋白从结构上可以分为两个功能域：N端结构域（NTD）和C端结构域（CTD），NTD和CTD都可能结合受体结合。宿主细胞表面受体也有多种类型，包括血管紧张素转移酶（ACE2）；氨基肽酶N（APN）；二肽基肽酶4（DPP4）等蛋白，或者Neu5，9Ac2；Neu5Ac等糖基。无论是哪个冠状病毒的S蛋白，它都需要与相应的受体在空间构象上“契合”，能形成稳定复合物，就像 “钥匙”与“门”的关系一样，从而感染宿主细胞。

  S蛋白和细胞表面受体的识别复杂而多样。如下图1所示：虽然hCoV-NL63和SARS-CoV分别属于α和β属，但是二者S蛋白的CTD都利用ACE2作为入侵受体。hCoV-NL63、TGEV和PRCV属于α属，但是TGEV和PRCV以APN作为受体，而hCoV-NL63以ACE2为受体。此外，虽然MHV和BCoV同属一个属，且都以NTD作为受体结合区，但是前者识别CEACMA1，后者识别糖基。

图1（F. Li / Journal of Virology 89(2015) 1954–1964）

不同冠状病毒的S蛋白的结构核心区高度保守，但是其受体结合区的空间构象各有不同，这在一定程度上决定了病毒感染的宿主种类。如图2所示，浅蓝色的部分表示了SARS-CoV、MERS-CoV、hCoV-NL63和PRCVCTD的空间构象，其核心结构域（core）均由反相平行的β折叠和起连接作用的α螺旋组成。可以明显看出SARS-CoV（图2A）和MERS-CoV（图2B）的CTD结构核心区极其相似，而在受体识别中发挥关键作用的受体结合模序（receptorbinding motif RBM  红色部分）明显不同，这决定了二者对细胞受体识别的特异性。

图2（F. Li / Journal of Virology 89(2015) 1954–1964）

此外，对于一些亲缘关系较近的病毒来说，RBM区中个别氨基酸的改变都足以改变对不同宿主感染能力。例如，果子狸cSz02株冠状病毒的RBD区479位氨基酸是K，而引起2003年SARS爆发的hTor02株冠状病毒的479位氨基酸为N。人类受体ACE2的31位K与35位E形成盐键，并构成了一个可以与RBD结合的稳定结合面。然而，cSz02-ACE2的479K可与人类ACE2的31K竞争35E形成盐键，从而破坏了RBD原有结合面。因此，cSz02与人类受体的亲和力较差，感染能力低。病毒在进化过程中，hTor02的479位由K突变成N，从而消除了原来479K对RBD结合面的破坏，大幅提升了RBD与人类受体的结合能力，K479N这一关键突变为冠状病毒实现从果子狸到人的跨中传播提供了可能性。另一方面， 人类ACE2的353位为K，它可以在疏水环境中与38D形成盐键，而盐键的形成需要一个甲基基团的协助。hTro02的487位是T，可以提供甲基基团协助盐键形成，cSz02的487位则是S，不能帮助盐键的形成。相对hTro02而言，hcGd03株冠状病毒具有较低的致病性，并且不具备人传人的能力，其原因就在于它的487位是S而非T。因此，S487T突变为冠状病毒从果子狸到人的跨种传播提供了便利，并在决定冠状病毒人传人能力方面起了关键作用。

（F. Li / Antiviral Research 100 (2013) 246–254）

同样，不同物种的同一种细胞表面受体的高级结构整体保守，但是其病毒结合模序（virus binding motifVBM ）却各有不同。一些个别关键氨基酸差异就导致了与冠状病毒RBM亲和度改变，最终影响了病毒感染的种属特异性。