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新冠病毒长什么样?深圳研究团队首揭其整体结构

冷冻电镜下的新冠病毒经灭活后的真实形貌。图/深圳市第三人民医院

天然的新冠病毒(SARS-CoV-2)到底长什么样?3月5日,南方科技大学及深圳市第三人民医院的合作团队首次利用冷冻电镜技术观测到天然新冠病毒(COVID-19的病原体)经灭活后的成像。该团队在预印本平台bioRxiv发表题为“冷冻电镜下新冠病毒带融合后刺突的病毒结构”(Viral Architecture of SARS-CoV-2 with Post-Fusion Spike Revealed by Cryo-EM)的研究论文,详述了实验室中新冠病毒的成功分离和纯化,并揭示了SARS-CoV-2的整个病毒结构。bioRxiv为预印本平台,平台文章尚未定稿和经过同行评审认证。

新冠病毒从武汉蔓延到全球,已经致8.7万人感染,超过3000人死亡。论文通信作者、深圳市第三人民医院院长刘磊表示,完整的病毒电镜图是“万里长征”的第一步,首次揭示病毒形成的模样,以掀开全面了解病毒形态和结构序幕,同时为疫苗和药物生产研发奠定基础。

刘磊告诉财新记者,此次研究的进步之处在于回答了真实冠状病毒的全结构,而非受体或者某个蛋白的结构,而研究开展的前提包括具备三级实验室、冷冻电镜技术、以及病人。据其回忆,早在1月21日医院便开始布局电镜图研究,思考如何利用好医院3级实验室和南方科技大学冷冻电镜平台探究病毒。

新冠病毒负染电镜结构。图/深圳市第三人民医院

该研究的病毒样本取自一名62岁的男性患者,此病人2020年1月1日至1月14日期间有武汉旅行史,1月11日开始出现发烧和咳嗽等症状,1月15日收治入深圳市第三人民医院,后经诊断确诊为新冠肺炎。

1月27日,患者肺泡灌洗液中分离出病毒株,经基因组测序和鉴定后向全球流感信息共享平台GISAID共享信息。此后,实验室采用病毒扩增、纯化及灭活技术,并综合应用间接免疫荧光法(IFA)、酶联免疫吸附试验(ELISA)和基因组序列与谱系分析多种方案核实和确认灭活的新冠病毒。该研究依托深圳市第三人民医院三级(BSL-3)生物安全实验室进行。根据设备和技术条件,生物安全实验室分为4级,一级最低,四级最高。

从冷冻电镜图像看,新冠病毒体颗粒大致呈球形或中等多边形,直径范围为80-160纳米。大多数病毒体外围有清晰界定,并被脂质双层包裹,埋在脂质双层下面的是新冠病毒核酸和核衣壳蛋白形成的浓缩物质。尽管许多颗粒在纯化或失活过程中失去了尖峰,但20%-30%的病毒体在包膜周围仍然有尖峰。尖峰的宽度和长度分别7nm和23nm。

脂质双层上有几个重要的结构蛋白,包括刺突(S)蛋白,包膜(E)蛋白和膜(M)蛋白。S蛋白由S1亚基和S2亚基组成,被认为是冠状病毒中最重要的蛋白质。S1亚基促进与宿主细胞的附着,而S2亚基则参与病毒与宿主膜的后续融合。当S1亚基解离时,S2经历构象变化,其自身从压缩形式延伸到指甲状。此次研究捕捉到病毒侵染宿主细胞这一中间状态。

论文提到,最近新冠病毒结构研究多集中在S蛋白上,而上述所有蛋白质都是在实验室中通过重组表达系统工程化的,而不是从真实病毒中工程化的,因此仍然缺乏整个病毒体的结构。

2月20日,美国得克萨斯大学奥斯汀分校生物科学系和美国国立卫生研究院过敏与传染病研究所(NIAID)疫苗研究中心的研究人员在收集和处理了3207张冷冻电镜显微照片后,获得了一个3.5埃(1埃=0.1纳米)分辨率的S蛋白非对称三聚体的三维结构图,并分析了新冠病毒表面刺突糖蛋白(S蛋白)的近原子结构,发现它通过与SARS病毒相同的受体和机制感染人体细胞,但新冠病毒刺突蛋白与其侵入细胞的关键受体——血管紧张素转化酶2(ACE2)的高亲和性,很可能有助于其产生高度人传人的传染性。(参见财新网报道“《科学》:新冠病毒S蛋白冷冻电镜图公布与SARS高度同源”)

上述研究在《科学》杂志发布后,华盛顿大学结构生物学教授大卫·维斯勒(David Veesler)团队、清华大学王新泉教授研究团队、中国科学院微生物研究所齐建勋研究团队及西湖大学周强研究团队,也相继发布新冠病毒与人类ACE2受体相关的近原子结构。

深圳市第三人民医院是深圳市唯一定点收治新冠肺炎确诊患者的医院,疫情防控中曾多次开先例。刘磊提到,医院确诊了广东省第一例患者,明确了第一个“人传人”病例,发现第一个儿童病例,提出可能存在“粪口传播”的现象。而此前备受争议的恢复期血浆治疗用于危重病人治疗,也曾在医院试验。(参见财新网报道“特稿|深圳‘人传人’结论是如何得出的”)

“临床上出现了很多问题,我们都进行布置”,刘磊介绍,目前医院针对新冠病毒研究共有48个项目,研究方向以临床问题为导向,同时医院与盖茨基金会2月19日正式签订合作,盖茨基金会将为医院药物和临床研究提供一定资金支持与学术指导。

该研究认为,首次使用冷冻电子显微镜观察到了新冠病毒经灭活后的真实形貌,为新冠病毒的识别、鉴定和临床相关研究提供重要的超微影像基础。“现在看到结构仅仅是第一步,后续还有一系列的工作,包括三维构图、发现作用、研究表面S蛋白的特异性等等”,刘磊表示。

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