载体家小课堂 | 详解SARS-CoV-2 S蛋白关键突变

SARS-CoV-2是单链正义RNA包膜病毒，结构上为一层磷脂双分子层包裹的病毒RNA基因组。SARS-CoV-2的膜表面表达有数量众多的刺突蛋白（S蛋白），形成了SARS-CoV-2的花冠外观。S蛋白可识别并结合细胞膜表面的ACE2受体，并且在经过细胞表面的丝氨酸蛋白酶TMPRSS2的切割处理后，介导病毒包膜与细胞膜融合，促使病毒RNA基因组进入宿主细胞^[1，2]。

S蛋白实际为同源三聚体蛋白，每个蛋白单体包含一个S1亚基（14–685 aa）与一个S2亚基（686–1273 aa）。S1亚基的受体结合结构域（Receptor-binding domain，RBD）是研究SARS-CoV-2与ACE2受体结合以及抗体识别的关键区域。RBD上的一些氨基酸突变将直接影响病毒与靶细胞受体的结合强度，表现为影响病毒的感染能力^[3]。

目前已知S蛋白并非只具有单一构象，其结构反而具有高度的可变性。研究认为S蛋白的Prefusion状态具有开放和关闭的构象变化，ACE2受体仅紧密结合RBD朝上暴露的开放型S蛋白。对于一个拥有3个RBD的S蛋白三聚体，当其中一个朝上暴露的RBD被ACE2结合后，结合能将诱使S蛋白构象改变，让更多数目的RBD朝上被暴露，进一步增强整个S蛋白与受体的结合潜力。实际上，广为人知的S蛋白D614G突变，即是通过改变了S1亚基之间的紧密程度，让整个S蛋白结构变得更松散，有利于产生2个或3个RBD朝上暴露的开放型构象，致使拥有该突变的SARS-CoV-2感染性显著增强^[4]。当前所有SARS-CoV-2的关键变异株均保留了D614G突变^[5]。

S蛋白D614G突变影响S蛋白构象与ACE2的结合能力

除D614G突变以外，目前还有多个突变被认为显著影响病毒的感染能力，特别是位于受体结合模体（Receptor binding motif，RBM）的关键突变。RBM是RBD结构域识别与结合ACE2的主要功能性结构，RBM上的Region 1和Region2区域可以通过氢键与疏水相互作用与ACE2直接作用，然而Region 1和Region 2同时也是积累氨基酸突变的显著区域。英国变异株Alpha（B.1.1.7）、南非变异株Beta（B.1.351）和日本变异株Gamma（P.1）均保留的N501Y突变即位于RBM的Region 1区域^[6]。对E484K和N501Y双突变的S蛋白的结构分析表明，野生型的N501的天冬酰胺侧链与ACE2形成氢键，而当N501发生了Y突变后，其酪氨酸侧链的芳香环则与ACE2的Y41的酪氨酸侧链芳香环发生π-π堆积作用，强化S蛋白与ACE2的结合强度^[7，8]。

结构模拟显示S蛋白RBD N501与Y501与ACE2的相互作用

E484K是另一个备受关注的与逃避血清抗体识别的相关突变，同时为Beta、Gamma和新出现的Kappa变异株（B.1.617.1）所共有。E484位于RBD与ACE2交界处一个高度结构可变的loop结构上，而E484K突变同样增强了RBD与ACE2的结合。在Beta毒株的N501Y、K417N、E484K三突变S蛋白上，E484K和N501Y对RBD结合ACE2的强度的贡献弥补了K417N突变对RBD-ACE2复合物稳定性的削弱。由于K417N同时也是一个有利于RBD逃避抗体识别的突变，研究认为病毒通过该种变化放弃少量的RBD与ACE2结合强度来增强免疫逃避能力^[9，10]。
 

L452R突变被发现于新出现的印度Delta变异株（B.1.617.2）及其变种Kappa（B.1.617.1），以及Epsilon（B.1.427/429）变异株。L452虽然不位于RBD作用ACE2的界面，但是假病毒实验表明L452R突变会一定程度上增强病毒的感染性^[11]。L452R突变有助于病毒逃避中和抗体识别。结构分析表明L452与E484均位于与中和抗体P2B-2F6的直接接触界面，未突变的L452通过疏水相互作用与抗体重链的I103和V105的氨基酸侧链形成疏水相互作用，同时E484与抗体轻链的N33和Y34建立盐桥和氢键。然而当L452发生R突变后，其精氨酸侧链破坏了原本L452与抗体之间的疏水相互作用，同时还会干扰E484与抗体形成的氢键和静电作用力。这些变化最终导致抗体的结合能力降低^[12]。

为促进SARS-CoV-2的S蛋白的结构与功能研究，载体家现更新了基于现有多种病毒变异株的突变型S蛋白假病毒包装和重组S蛋白/RBD表达服务。这些突变型S蛋白的信息如下表所列：

参考文献

[1] Hoffmann, Markus et al. “SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor.” Cell vol. 181,2 (2020): 271-280.

[2] Zipeto, Donato et al. “ACE2/ADAM17/TMPRSS2 Interplay May Be the Main Risk Factor for COVID-19.” Frontiers in immunology vol. 11 (2020): 576745.

[3] Huang, Yuan et al. “Structural and functional properties of SARS-CoV-2 spike protein: potential antivirus drug development for COVID-19.” Acta pharmacologica Sinica vol. 41,9 (2020): 1141-1149.

[4] Yurkovetskiy, Leonid et al. “Structural and Functional Analysis of the D614G SARS-CoV-2 Spike Protein Variant.” Cell vol. 183,3 (2020): 739-751.

[5] www.covariants.org/shared-mutations.

[6] Yi, Chunyan et al. “Key residues of the receptor binding motif in the spike protein of SARS-CoV-2 that interact with ACE2 and neutralizing antibodies.” Cellular & molecular immunology vol. 17,6 (2020): 621-630.

[7] Laffeber, Charlie et al. “Experimental Evidence for Enhanced Receptor Binding by Rapidly Spreading SARS-CoV-2 Variants.” Journal of molecular biology vol. 433,15 (2021): 167058.

[8] Chakraborty, Sandipan. “E484K And N501Y SARS-CoV 2 SPIKE Mutants INCREASE ACE2 Recognition but REDUCE Affinity for Neutralizing Antibody.” bioRxiv (2021).

[9] Luan, Binquan, and Tien Huynh. “Insights into SARS-CoV-2's Mutations for Evading Human Antibodies: Sacrifice and Survival.” Journal of medicinal chemistry, 10.1021/acs.jmedchem.1c00311. 9 Apr. 2021.

[10] Nelson, Gard et al. “Molecular dynamic simulation reveals E484K mutation enhances spike RBD-ACE2 affinity and the combination of E484K, K417N and N501Y mutations (501Y.V2 variant) induces conformational change greater than N501Y mutant alone, potentially resulting in an escape mutant.” bioRxiv (2021).

[11] Motozono, Chihiro et al. “SARS-CoV-2 spike L452R variant evades cellular immunity and increases infectivity.” Cell host & microbe vol. 29,7 (2021): 1124-1136.e11.

[12] Cherian, Sarah et al. “SARS-CoV-2 Spike Mutations, L452R, T478K, E484Q and P681R, in the Second Wave of COVID-19 in Maharashtra, India.” Microorganisms vol. 9,7 1542. 20 Jul. 2021.


 

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