??是注定不平凡的一年，新冠疫情肆虐全球。好消息是在不到一年的时间里，我们举全国之力研发出了疫苗。我们今天就一起回顾一下关于新冠病毒的结构、入侵机制和疫苗研制的情况。

??目前针对新冠病毒除了做好传染病基本措施以外，最有效的方式就是疫苗的研制。要想研制疫苗，就必须对新冠病毒的结构有正确的认识。

新冠病毒入侵人体引起免疫应答的过程

??一、新冠病毒的结构。

??新冠病毒基因组可编码29个蛋白，其中有四种为结构蛋白，分别是：刺突蛋白（S蛋白）、核衣壳蛋白（N蛋白）、膜蛋白（M蛋白）和包膜蛋白（E蛋白）。

图一冠状病毒模式图

??揭秘新冠病毒“庐山真面目”。年9月14日由浙江大学传染病诊治国家重点实验室李兰娟院士、清华大学生科院李赛研究员合作在国际顶尖学术期刊Cell杂志发表了题为：MoleculararchitectureoftheSARS-CoV-2virus的研究论文。该研究使用冷冻电子断层扫描（cryo-ET）和子断层扫描图平均（STA），从而解析了真实的新冠病毒的分子组装。

???科研人员发现，新冠病毒的刺突蛋白就像“链锤”一样可以在病毒表面自由摆动，上端粗、下端细，这种特性有助于病毒能灵活“抓住”细胞表面，与之结合入侵细胞，感染人体。

???它的刺突蛋白的朝向也很有趣，懂得“自我保护”。如果把刺突蛋白比喻成一把伞，雨伞张开被称为“向上”，雨伞关闭被称为“向下”，当刺突蛋白向上时，它就像亮出了自己的武器一样，大喊着“我要去感染细胞了！”此时，如果人体细胞不幸被刺中，那么就面临感染的危险。而当刺突蛋白向下，它就像收起兵器，以免被机体识别击溃。研究发现，新冠病毒的刺突蛋白97%都是向下的，这也就成为它不易被抗体及药物等击败的原因之一。

新冠病毒的分子结构。SARS-CoV-2病毒体具有代表性的冷冻电镜断层成像照片（A）；通过构建RBD“向下”（橙色）和1个RBD“向上”（红色）构象的融合前的S蛋白、脂质包膜（灰色）和核糖核蛋白复合物RNPs（黄色）的模型来重现SARS-CoV-2全病毒三维结构（B）；精确计数了每个病毒粒子的刺突蛋白和RNP的数量（C）；揭示最具有代表性的RBD“向下”的S蛋白构象。

??新冠病毒为什么可在环境长期存活？

??除了刺突蛋白，新冠病毒的内部结构核心——核糖核蛋白复合物，在该研究中也取得了重要进展。核糖核蛋白复合物是病毒核酸与蛋白的结合体，病毒所有的遗传信息都储存在里面，可以调控病毒的生物特性，可谓是“病毒的灵魂”。

核糖核蛋白复合物RNPs的天然结构及其组装机制。显示RNP的两种不同类型的超微结构：六聚体（橙色框）和四聚体（红色框）；七个RNP被包裹在病毒包膜内（灰色），形成“巢中蛋”形的六聚体组件，四个RNP被包装成无膜的四聚体组件（下）；RNP六聚体组装成球形病毒，四聚体组装成椭球型病毒。

???科研团队开创性地揭示了病毒腔内核糖核蛋白复合物天然结构及其组装机制，阐明了新冠病毒是如何在80纳米的管腔内组装和堆积单股长达30Kb的核糖核酸。原来，这些复合物像串珠一样把核糖核酸组织在一起，并在病毒体内有序排列，不仅解决了在有限空间内收纳超过自身容量核糖核酸的难题，还加固了病毒本身结构，使它能够经受住人体外复杂环境中的各种理化因素破坏的挑战，这也可以用来解释新冠病毒长期在外环境存活的一个重要因素。

??二、S蛋白和ACE2结构

??那么新冠病毒是如何入侵人体的呢？

??新型肺炎疫情爆发后，武汉病毒研究所的科学家发现，新型冠状病毒和年的SARS病毒一样，也是通过识别ACE2蛋白进入人体细的，ACE2是“新冠病毒”侵入人体的关键。

??新冠病毒是借助于S蛋白结合人细胞表面的受体蛋白ACE2，才得以感染人体细胞。ACE2就像是“门把手”，病毒抓住它，从而打开了进入细胞的大门。所以，对于刺突蛋白和ACE2结构的研究成了一个重点内容。

S蛋白与ACE2蛋白受体结合示意图

??年2月20日，Science杂志在线发表了来自美国得克萨斯大学奥斯汀分校的McLellan团队“Cryo-EMStructureofthe-nCoVSpikeinthePrefusionConformation”的研究论文。通过联合研究利用冷冻电镜技术解析了新型冠状病毒S蛋白的结构。

??S蛋白是一种三聚体糖蛋白，由S1和S2两部分组成。S1亚基由N端结构域（NTD）和受体结合区（RBD）组成的，S1亚基负责与ACE2结合。S2亚基负责与人细胞膜的融合，完成遗传物质的释放。

S蛋白结构

S蛋白以三聚体的形式存在，形如花朵，其中S2三聚体以螺旋的形式构成柄部结构，而三个S1则覆盖在S2三聚体的顶部。

??正常情况下，在病毒的膜上，S蛋白是以封闭的形式存在的，以S1的三个RBD盖在S2的顶部，此时ACE2没办法与S蛋白三聚体结合。在S1和S2之间的Furin蛋白酶切位点被切割之后，S蛋白变得不稳定，S1打开，RBD竖起来，与ACE2结合，最终实现病毒的侵染。

关闭的S蛋白三聚体（左）及开放状态下的S-ACE2（右）；红色部分是负责膜融合的S2三聚体

??为了研究能完整地记录下S蛋白与ACE2结合过程中，以及S蛋白整体构像的变化。Gamblin和他的同事将经过Furin蛋白酶处理过的S蛋白三聚体与ACE2混合，然后将它们放到液态乙烷中冷冻处理，用冷冻电镜观察。在整个研究过程中，研究人员共拍摄了数万张不同结合阶段的高分辨率图像。

冷冻电镜S蛋白9种构象的分裂的解析处理过程。

???经过对图像的分析，研究人员得到了10个不同阶段的S蛋白，以及S蛋白-ACE2的复合体：从完全关闭，没有结合ACE2的S蛋白三聚体，到完全打开且与三个ACE2结合的S蛋白-ACE2复合体，以及已经从复合物上解离下来的S1-ACE2复合物。

新冠病毒S蛋白为三聚体形式（下图中蓝色、粉色、黄色），S蛋白会呈关闭状态或开放状态，S单体倾斜到垂直状态即打开可以结合ACE2受体（绿色）。冷冻电镜可以根据S蛋白开放状态和ACE2受体结合形式，分类为以下9种不同构象的颗粒（加上单体共10种）

顺时针方向就是关键的几个结合瞬间（每个瞬间两张图，左边是平视，右边是俯视）

???总体上看，在所有的S蛋白三聚体中，有三分之二的三聚体与ACE2结合。绝大部分没有结合ACE2的S蛋白三聚体处于完全封闭状态，只有16%的未结合S蛋白三聚体存在一个竖起RBD。在那些与ACE2结合的S三聚体中，有一半的S蛋白三聚体结合的是一个ACE2。

???将存在一个竖立RBD且不与ACE2结合的复合体，与存在一个竖立RBD且与ACE2结合的复合体相比较，研究人员发现：ACE2的结合改变了RBD的位置，导致RBD远离三聚体纵轴心约5.5?。这说明ACE2结合会促进RBD的打开。

??除此之外，S1和S1之间的接触面积大幅缩小，S1和S2的接触面积也大幅缩小，它们之间相互作用的关键氨基酸残基的位置也发生改变。这意味着，ACE2与RBD的结合，会促使S1和S2之间的相互作用消失。

???S1中与S2的Lys形成盐桥的Asp；因为这两个残基形成的盐桥，在维持S蛋白的封闭上起到了一定的作用。

S1与S2作用的详情，注意图B和C中D的位置

??而目前最常见的DG突变，其实就是发生在这里，原本的天冬氨酸（Asp，D）变成了甘氨酸（Gly，G）。这个突变化不仅导致盐桥丧失，还会促使S1形成一个与S2不相容的新α螺旋。这种变化可能会导致S蛋白封闭形式稳定性的降低，促进RBD的开放，以及与ACE2的结合。DG突变会导致更多的RBD处于竖起的开放状态，更利于ACE2受体的结合。而这将新冠病毒的感染能力提升了9倍。

DG突变后S蛋白开放的更多了

??在S蛋白三聚体完全开放的情况下，三个S1的偏离，会导致中间出现一个直径为50?，深为60?的空腔。在这个空腔的底部，就是能与细胞膜融合的关键部分。

??为了让膜融合的发生，S2蛋白三聚体很可能经历一次主要的螺旋重排，通过重构生长和延伸，最终将融合肽捅到宿主的细胞膜上。在此过程中，已经与ACE2结合的S1会以单体的形式，从复合体上解离下来，促进S2的重构。

ACE2结合三聚体S蛋白或单体S蛋白的构象

??Gamblin和他的同事还注意到，由于一个ACE2与RBD的结合就足以完成细胞膜的融合，因此只需要S蛋白上有一个S1处于开放状态，也就是RBD竖起，就足以有效地起动S2中这些发生在膜融合过程中的重排。

??年2月19日凌晨，西湖大学周强实验室在预印版平台bioRxiv在线发表了题为Structureofdimericfull-lengthhumanACE2in