复合氨基酸是什么(重大突破西湖大学、清华和中科院三团队，率先解析出新冠病毒S蛋白与人细胞受体ACE2的复合结构)

复合氨基酸是什么

重大突破！西湖大学、清华和中科院三团队，率先解析出新冠病毒S蛋白与人细胞受体ACE2的复合结构

今天，结构生物学家集体发力了。

西湖大学的周强团队，在之前解析完整ACE2蛋白高分辨三维空间结构的基础上，再次借助于冷冻电镜技术，进一步解析了完整ACE2蛋白与新冠病毒S蛋白受体结构域（RBD）的复合物结构[1]。

清华大学的王新泉和张林琦课题组，利用X射线衍射技术，解析了新冠病毒S蛋白受体结构域与人细胞受体ACE2蛋白的胞外部分复合物的晶体结构，找到了新冠病毒S蛋白和细胞受体ACE2的相互作用位点[2]。

中国科学院微生物研究所公开了新冠病毒S蛋白与细胞受体ACE2复合物2.5埃分辨率的晶体结构[3]。

上面三项研究成果揭开了新冠病毒入侵人体细胞的神秘面纱，我们也终于看清了新冠病毒与人细胞受体ACE2的结合方式。

新冠病毒图（图源：NIAID-RML）

接下来，我们就来详细介绍下前两项研究的主要内容。

咱们先来看看西湖大学周强团队的研究。

在介绍周强团队的这个研究之前，我们还是简单回顾下他们团队的前一个研究。

就在前天，周强团队借助于氨基酸转运蛋白B0AT1，成功在实验室里获得了稳定的人细胞受体ACE2的结构，并利用冷冻电镜技术，解析了ACE2的完整三维结构。

发现了ACE2是以二聚体的形式存在，同时具有开放和关闭两种构象，而且两种构象都有与冠状病毒结合的界面。进一步研究发现，一个ACE2二聚体能结合两个SARS冠状病毒的S蛋白三聚体。

此外，还发现ACE2细胞外的那部分（PD）存在6个糖基化位点，这比之前的研究成果多出了4个。

上图是两个ACE2蛋白聚合在一起，很像一双挥动的拳头

不过，上面那个研究虽然揭示了ACE2的完整结构，但是并没有揭示新冠病毒是如何与人细胞受体ACE2结合的。

对于结构生物学家来说，眼见为实，只有亲眼看到新冠病毒S蛋白与ACE2的结合方式，心里才踏实。

为了揭示ACE2与新冠病毒之间的识别细节，他们获取了新冠病毒S蛋白的RBD。这个RBD就是新冠病毒识别并结合细胞受体ACE2的关键。

有了S蛋白的RBD之后，他们将RBD与之前获得的ACE2-B0AT1复合体，按照接近1：1的比例混合，让它们自由结合。然后获得复合物，用冷冻电镜给它们拍照片。最后获得了分辨率达2.9埃的RBD-ACE2-B0AT1复合体。

RBD-ACE2-B0AT1 复合物的冷冻电镜密度图，框内为RBD（黄色）与ACE2（蓝色）的相互作用界面

从外观形态上看的话，新冠病毒的S蛋白与ACE2的结合，像一个人跨在一个拱桥上。

RBD和ACE2的相互作用示意图

基于这个复合体，他们的第一个发现是：虽然ACE2二聚体有开放和关闭两种构象，而且都有与冠状病毒结合的界面；但是与S蛋白RBD结合的ACE2-B0AT1复合体只有关闭构象。

和上一个研究预计的一样，ACE2二聚体的每个PD都能结合一个RBD。基本证实了一个ACE2二聚体会与两个S蛋白三聚体结合。

随后，他们仔细分析了新冠病毒S蛋白的RBD与ACE2结合部位的详细特征。并将其与SARS病毒S蛋白的RBD与ACE2结合部位做了详细的比较。

虽然二者的S蛋白总体上看起来相似，但是新冠病毒与ACE2的结合部位和SARS与ACE2的结合部位，还是存在许多序列和构象差异的。具体差异可以参看论文，具体到了每个氨基酸残基的差异。

周强等认为，其中有几个氨基酸残基的变化，可能会改变新冠病毒S蛋白与ACE2的亲和力。不过有的变化是增强亲和力，有些变化是减弱亲和力，总体亲和力的变化还需要更深入的分析。

上图是两个ACE2蛋白与新冠病毒S蛋白的RBD结合模拟图

我们再来看看清华大学的王新泉和张林琦课题组的研究成果。

与周强团队的处理方式不同，王新泉和张林琦团队选择在Hi5昆虫细胞中表达新冠病毒S蛋白的RBD和人细胞受体ACE2细胞外部分。很显然，这个研究的目的就是想看清楚新冠病毒S蛋白的RBD与ACE2的结合部分究竟长什么样。

经过一些列的表达和纯化，得到了新冠病毒S蛋白的RBD（Cys336至Glu516残基）和人细胞受体ACE2细胞外部分（Ser19至Asp615残基）的晶体结构，然后利用X射线衍射技术，最终获得了分辨率达到2.5埃三维结构图。

他们发现新冠病毒S蛋白的RBD的18个氨基酸残基，与人细胞受体ACE2细胞外部分的20个氨基酸残基结合，结合面积在1700平方埃米左右。对于SARS病毒而言，是16个氨基酸对20个氨基酸。

新冠病毒RBD与ACE2结合

与新冠病毒结合和SARS病毒结合的那20个ACE2的氨基酸残基，有17个是一样的。在新冠病毒RBD与ACE2的结合界面，有17个氢键和1个盐桥；而SARS病毒和ACE2的结合界面，有12个氢键和2个盐桥。

其他还有很多结合位点氨基酸残基的比较。感兴趣的话，可以查阅原文。

不过，虽然新冠病毒和ACE2的结合位点，与SARS病毒和ACE2的结合位点存在诸多差异，但是这两种病毒的与ACE2之间的很多性质是相似的。

新冠病毒RBD和SARS病毒与ACE2结合位点深度分析，可以看到有很多不一样的地方

研究人员认为，与结构相似性一致的是，ACE2与新冠病毒S蛋白的RBD和SARS病毒S蛋白的RBD之间的亲和力，应该都落在之前报道的大约10 nM到60 nM的范围之内[4，5]。

显然，王新泉和张林琦团队对ACE2与SRAS之间的亲和力的预估，与之前德克萨斯大学奥斯汀分校的Jason S. McLellan团队计算的325.8 nM有较大差异[5]。研究人员认为，这可能与分析中使用的蛋白质不同等其他原因有关。

他们还认为，仅靠这个亲和力，不可能解释新冠病毒异常的传染性。倒是南开大学阮吉寿和高山团队在新冠病毒中发现的furin酶切割位点[6]，可能在促进人与人之间的快速传播中起着更重要的作用。

新冠病毒RBD和SARS病毒RBD与ACE2结合的比较

总的来说，以上三个独立的研究成果，清晰地解析了新冠病毒与人细胞受体ACE2复合体的结构，在全球范围内首次揭示了新冠病毒S蛋白如何与细胞受体ACE2在原子层面相互作用。

对治疗新冠肺炎药物的研发和改进，提供了大量有价值的数据和信息。

另外，三个研究团队都将复合物的原子坐标向全社会公布。需要的朋友，可以复制下文对应的链接，自行下载。

注：

1、西湖大学周强团队的ACE2全长蛋白与新冠病毒S蛋白受体结合结构域的复合物原子坐标https://www.jianguoyun.com/p/DVLSdMkQiJ2OCBjbwt8C

https://www.jianguoyun.com/p/DTJ03HoQ3MX2BhjiwN8C

http://nmdc.cn/#/resource/detail?no=NMDCS0000001

关闭状态：https://www.jianguoyun.com/p/DSJqlq4QiJ2OCBjCwt8C

开放状态：https://www.jianguoyun.com/p/DWdO-qMQiJ2OCBjGwt8C

参考资料：

[1].https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.19.956946v1

[2].https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.19.956235v1

[3].http://nmdc.cn/?from=groupmessage#/resource/detail?no=NMDCS0000001

[4].https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.01.28.923011v1

[5].https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.11.944462v1

[6].http://eprint.las.ac.cn/abs/202002.00004

本文作者丨BioTalker

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