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重大突破! 清華大學李賽團隊與浙江大學李蘭娟團隊

合作解析出新冠病毒全病毒三維結構

2020-09-17 20:21:21

● 亮點導讀

1. 冷凍電鏡斷層成像及子斷層圖像平均重構技術首次從內到外地揭示了真實新型冠狀病毒的全病毒三維結構。該結構將在電子顯微鏡數據庫公開,對疫苗及抗體研發、疫情防控宣傳、科普教育、分子動力學模擬等具有十分重要作用。

2. 原位解析了新型冠狀病毒表面刺突蛋白的天然構像和分布,對疫苗研制及抗病毒藥物研發具有重要科學意義。

3. 通過質譜分析了病毒刺突蛋白的原位糖基化組成,對滅活病毒疫苗或是體外重組疫苗的研發以及抗體治療具有重要的指導意義。

4.開創性地揭示了新冠病毒核糖核蛋白復合物RNP的天然結構及其分子組裝機制。


全球首次從內到外完整揭示新冠病毒全病毒精細結構

截止9月15日,新冠肺炎“大流行”已在全球造成近3千萬人感染,近百萬人死亡,給全球經濟、人民生活等各方面造成巨大影響。然而,引發疫情的罪魁禍首新型冠狀病毒,卻仍然是個“看不見的敵人”??床灰?,便缺少畏懼。這也許是在全球眾多疫情高發區,人員仍然集會、參加派對的原因。只有獲得新冠病毒的真實模樣,才能警醒公眾意識,促進疫情防控??箵粜鹿谝咔?,開發疫苗及抗體等治療手段,更離不開對病毒結構的了解。

近日,清華大學生命學院李賽研究員課題組和浙江大學醫學院附屬第一醫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技術成功解析了新冠病毒(SARS-CoV-2)全病毒三維結構,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構”(Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus)為題在國際權威學術期刊《細胞》雜志上在線發表。


首次解析新冠全病毒分子結構

這項研究首次解析了新冠病毒全病毒的高分辨率分子結構,使世界對新冠病毒的認識更近一步,為抗擊疫情、治療新冠肺炎打下堅實全面的結構基礎。在這項研究中,浙大團隊提供了經嚴格滅活、含有新冠病毒的細胞培養液,保證了樣品的天然結構。清華團隊在二級實驗室提純濃縮病毒后,使用實驗室開發的高通量、高分辨冷凍電鏡斷層成像技術(cryo-ET),采集了100TB數據、篩選出2294顆病毒顆粒(目前已知的關于新冠病毒最大的cryo-ET數據集),并重構出一顆具有代表性的完整的病毒三維結構,分辨率達7.8-11?。統計結果表明,新冠病毒囊膜平均直徑約80納米,表面約有30個刺突蛋白,內部約有30個核糖核蛋白復合物。


新冠病毒結構及冷凍電鏡斷層圖像


原位狀態下深度分析刺突蛋白結構

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”,目前大多數疫苗和抗體的研發均聚焦于該蛋白。

該研究解析出處于融合前狀態及融合后狀態的三種不同構象刺突蛋白結構。結果表明,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”及時調整方向,同細胞上更多的“鎖”(受體)結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,產生不正常的“禿”病毒。

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。此前未有對病毒上天然狀態下糖基化修飾的詳細研究。在清華大學蛋白質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研發疫苗工作的有效性。


開創性揭示核糖核蛋白復合物天然結構

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十納米直徑的體內,是所有病毒都要費勁兒解決的幾何難題。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)的高級結構,才能將RNA完整塞進體內。在病毒發生膜融合及去組裝后,它又能有條不紊的釋放RNA。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近30000顆RNP進行了挑選和分析,開創性地展示了病毒腔內核糖核蛋白復合物結構及組裝機制。該復合物像串珠一樣將RNA組織在一起,并在病毒體內呈現六聚“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境中經受物理挑戰的能力。這是世界范圍內首次“看清”正義單鏈RNA病毒的內部結構。


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”清晰地展現在世人面前,首次讓世界看到新冠病毒全病毒結構。這一成果對疫苗及抗體研發、疫情防控宣傳、科普教育等均有重要意義。其中一位審稿人在評審意見里稱贊道:“這項工作展示了迄今為止我所見過的最完整新冠病毒形象,這也是使用冷凍電鏡斷層成像方法解析完整顆粒結構的一次絕妙的應用……”。法國科學院院士、著名結構病毒學家Felix A.Rey教授來信祝賀道:“這是一個里程碑式的工作”。成果公開以來,被國內多家主要媒體報道,截止9月16日,閱讀量近9000萬,一度排名當日微博熱搜前十名。并受到包括紐約時報、BBC、CellPress細胞出版社新聞部在內的眾多國外媒體及記者咨詢,希望獲得關于該全病毒結構的更多信息。


李賽課題組

李賽研究員課題組從2018年建立至今才短短兩年,能在三個月內完成這一世界級重大成果,得益于合作者李蘭娟院士團隊高質量的樣品供應,也源自他十多年如一日堅持在囊膜病毒研究領域,并深耕于冷凍電鏡斷層成像技術的開發,是國內難得的既熟悉囊膜病毒,又擁有先進冷凍電鏡斷層成像技術的青年科學家。疫情攻關期間,他親自帶學生做實驗、解結構,推進項目迅速完成。他常教育自己的學生:作為病毒科研工作者,既要有在太平時期‘甘坐冷板凳’的決心,也要有在重大疫情期間挺身而出的勇氣!


李賽研究員(清華大學)為本文的第一通訊作者(lead contact),李蘭娟院士(浙江大學)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構及病毒學專家的大力協助,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,離不開王宏偉教授、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。特別感謝清華大學冷凍電鏡平臺,生物計算平臺,蛋白質化學與組學平臺的支持。研究工作得到了清華大學人才啟動經費,北京高精尖結構生物學創新中心,清華-北大生命聯合中心的支持。


李賽課題組新冠課題攻關團隊合影

9月16日,李賽參與法國巴斯德所的漢塔病毒結構工作也在Cell上線

值得一提的是,在新冠文章上線的第二天,李賽參與的另外一個新發型致病囊膜病毒結構工作也在Cell上線。該工作結合X-射線晶體學及冷凍電鏡斷層成像技術解析多個晶體結構及病毒原位結構,開創性的構建了漢塔病毒刺突蛋白包括胞外段和跨膜區的近全長結構。李賽指導博士生、并親自參與了部分電鏡樣品制備、數據采集及結構計算工作。這一重要研究成果于北京時間2020年9月16日以 “漢塔病毒表面糖蛋白網格及其膜融合受控機制”(The Hantavirus Surface Glycoprotein Lattice and Its Fusion Control Mechanism)為題在國際權威學術期刊《細胞》雜志上在線發表。


新冠病毒文章鏈接及DOI:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31159-4

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.018

漢塔病毒文章鏈接及DOI:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31064-3

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.023


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