介紹一篇發(fā)表在Nat. Commun.上的文章，Structural dynamics in the evolution of SARS-CoV-2 spike glycoprotein1，文章作者是倫敦國(guó)王學(xué)院的Argyris Politis。
COVID-19的病原SARS-CoV-2病毒利用其病毒膜表面的同源三聚體糖蛋白刺突蛋白（spike）與人體細(xì)胞膜表面的ACE2結(jié)合啟動(dòng)入侵宿主過(guò)程。但因spike高度突變性，致使目前市面上的大部分針對(duì)spike的疫苗失去免疫效果。值得關(guān)注的變異體（VOCs）包括疫情早期的D614G突變，以及后續(xù)產(chǎn)生的alpha、beta、gamma、delta、omicron等突變，雖然變異位點(diǎn)各有差異，但它們的特點(diǎn)是都包含有D614G這一突變。D614G spike相比于WT spike構(gòu)象上更加成open狀態(tài)、更易與受體ACE2結(jié)合。而更加open的狀態(tài)與D614G中的630 loop和FPPR的偏離原來(lái)的位置有關(guān)。盡管目前有大量的spike冷凍電鏡（cryo-EM）高分辨結(jié)構(gòu)研究，但cryo-EM難以獲得的spike的動(dòng)態(tài)變化同樣與其功能高度相關(guān)，其中包括每個(gè)變體的本身的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性、ACE2結(jié)合過(guò)程以及S2暴露及融合事件。因此，目前對(duì)于spike突變對(duì)其構(gòu)象的擾動(dòng)、對(duì)其如何影響功能、以及其與受體結(jié)合的動(dòng)力學(xué)仍缺乏理解。本文利用氫氘交換質(zhì)譜（HDX-MS）這一對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)性高度敏感的技術(shù)，研究spike WT以及spike變異株（alpha、beta、delta和omicron）間的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性差異，也探究了它們與受體ACE2相互作用后到post-fusion狀態(tài)前的相關(guān)動(dòng)態(tài)事件。該研究主要揭示了spike從WT到omicron間的構(gòu)象演化過(guò)程，其中發(fā)現(xiàn)了與spike構(gòu)象開(kāi)放相關(guān)的區(qū)域RBD-s，而spike變異體進(jìn)化的差異、及免疫逃逸都與NTD動(dòng)態(tài)性增強(qiáng)相關(guān)，同時(shí)也分析了不同變體結(jié)合ACE2時(shí)構(gòu)象差異及動(dòng)態(tài)性變化。本研究使用到的變體WT、D614G、alpha、beta、delta和omicron均含有2P突變（K986P、K987P）使其無(wú)法進(jìn)入post-fusion狀態(tài)。作者首先比較了WT和D614G的HDX差異。根據(jù)電鏡結(jié)構(gòu)，在開(kāi)放和關(guān)閉的構(gòu)象轉(zhuǎn)變時(shí)，RBD的溶劑可及性會(huì)產(chǎn)生差異，即開(kāi)放時(shí)溶劑可及性增加（圖1a）。而在HDX-MS結(jié)果中，D614G的RBD相關(guān)區(qū)域的氘代較WT高（例如407-422和456-471區(qū)域，圖1b）。而D614G的FPPR盡管在早期時(shí)間點(diǎn)氘代較WT高，但在晚期時(shí)間點(diǎn)差異消失且氘代值較高（圖1c），說(shuō)明在WT和D614G中該區(qū)域都是高度動(dòng)態(tài)的。而D614G的630 loop區(qū)域氘代變化較大（上升和下降均有），說(shuō)明該區(qū)域經(jīng)歷較大的結(jié)構(gòu)重排（圖1d）。此外，D614G S2主干部分的氘代也較WT高，這預(yù)示著三聚體的結(jié)合有所松動(dòng)。D614G整體呈更開(kāi)放的構(gòu)象，這與電鏡結(jié)果是吻合的。圖1. WT和D614G結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性的差異。接著作者比較了alpha、beta、delta和omicron相對(duì)于D614G的HDX差異。在RBD和RBD-s區(qū)域alpha、beta、delta表現(xiàn)出氘代上升（即氘代值較D614G高），而在630 loop區(qū)上升下降均存在（圖2a）。這表明alpha、beta、delta相比于D614G傾向于更為開(kāi)放的構(gòu)象，這與cryo-EM的數(shù)據(jù)是吻合的。但omicron的630 loop區(qū)和RBD-s的氘代情況與WT相似，說(shuō)明該蛋白較D614G構(gòu)象更為封閉（注意：圖2a中RBD區(qū)域觀察到的氘代上升區(qū)域主要集中在RBD內(nèi)部，而非與S2的交界處，因此該處氘代上升僅說(shuō)明RBD內(nèi)部更為松散，并不能反映RBD的開(kāi)關(guān)/閉合）。在所有spike VOCs的NTD、HR1等區(qū)域相較于D614G均表現(xiàn)出氘代上升現(xiàn)象。這表明這些VOCs在這些區(qū)域的構(gòu)象進(jìn)化是相似的。此外需要注意的是，omicron的HR1和CH區(qū)域的氘代上升現(xiàn)象十分明顯。先前研究表明HR1和CH是spike融合機(jī)制的重要組分，該區(qū)域氘代上升表明在未結(jié)合配體的情況下omicron相比于D614G更為融合做好了準(zhǔn)備。
圖2. Spike變異株構(gòu)象進(jìn)化趨勢(shì)。
接著作者檢測(cè)了ACE2與各spike結(jié)合時(shí)，ACE2的HDX，以評(píng)估不同變體對(duì)ACE2的結(jié)合能力。在該實(shí)驗(yàn)中，不僅包含了上述研究的spike及變體，作者還選用了單獨(dú)分離表達(dá)的WT的RBD結(jié)構(gòu)域作為對(duì)照。作者發(fā)現(xiàn)，不同spike引起的ACE2 HDX變化程度：alpha
> beta > delta > G614 > WT ≈ omicron（圖3a、b）。這可能與結(jié)合的化學(xué)計(jì)量以及構(gòu)象的開(kāi)放程度相關(guān)。
圖3. 不同spike結(jié)合對(duì)ACE2動(dòng)態(tài)性的影響。作者接下來(lái)還觀察了與ACE2結(jié)合時(shí)spike的HDX變化。這些
新材料產(chǎn)品
