人體細胞上相應的受體蛋白好比是一把“鎖”，病毒要想進入人體細胞，得有相應的“鑰匙”才能打開。新冠病毒的“鑰匙”是其S蛋白，而ACE2則是病毒入侵的“鎖”。

通過解析生物結(jié)構可以了解病毒細胞是如何與人類受體結(jié)合，進而入侵人體的。當?shù)貢r間2月18日，生命科學預印本平臺bioRxiv發(fā)表了西湖大學周強實驗室的研究成果“Structure of dimeric full-length human ACE2in complex with B0AT1”，該團隊利用冷凍電鏡技術成功解析此次新冠病毒的受體——ACE2（血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2）的全長結(jié)構。據(jù)悉，這是世界上首次解析出ACE2的全長結(jié)構。

此文的第一作者為西湖大學生命科學學院博士后鄢仁鴻，通訊作者為西湖大學生命科學學院研究員周強。論文的第一單位和通訊單位均為西湖大學浙江省結(jié)構生物學研究重點實驗室，該實驗室于2019年獲批成立，中科院院士施一公擔任實驗室主任。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，該復合物以二聚體形式存在，隨著ACE2的肽酶結(jié)構域（PDs）轉(zhuǎn)移而呈現(xiàn)出“開放（open）”和“關閉（closed）”兩種構象。

結(jié)構建模表明，該ACE2-B0AT1復合物可以同時結(jié)合兩個S蛋白，這為冠狀病毒結(jié)構的進一步識別和感染人體的分子基礎提供了重要線索。

清華大學全球健康與傳染病研究中心主任張林琦教授認為，總體而言，ACE2全長結(jié)構的解析，將有助于理解冠狀病毒進入靶細胞的結(jié)構基礎和功能特征，對發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化阻斷進入細胞的抑制劑有重要作用。

關于病毒的“鑰匙”——S蛋白的最新研究來自美國。美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）疫苗研究中心與得克薩斯大學奧斯汀分校分子生物科學學院合作，對新型冠狀病毒的S蛋白進行了近原子結(jié)構分析，同時認為，新冠病毒的S蛋白結(jié)合人體ACE2的親和力要遠高于嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒（SARS-CoV）的S蛋白，這可能是新冠病毒感染性強的原因。

ACE2到底在細胞膜上是以什么狀態(tài)存在？新冠病毒對比SARS病毒與ACE2結(jié)合有何異同？

由于作為膜蛋白的ACE2本身很難在體外穩(wěn)定獲得，研究團隊通過共同表達的方法獲得了ACE2與腸道內(nèi)的一種氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白B0AT1的復合物，并利用西湖大學的冷凍電鏡平臺解析了其三維結(jié)構。

受體ACE2-B0AT1復合物：呈現(xiàn)開放和關閉兩種構象

盡管ACE2（宿主細胞受體血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2）因被冠狀病毒“劫持”而為公眾所知，但正如其名，ACE2的主要生理作用是促進血管緊張素的成熟，血管緊張素是一種控制血管收縮和血壓的肽激素。

ACE2是一種I型膜蛋白，主要位于肺、心臟、腎臟和腸中，其表達水平與心血管疾病有關。新冠病毒感染后，人體內(nèi)ACE2水平下降甚至缺失，是導致發(fā)生肺損傷和肺衰竭的關鍵因素之一。

全長ACE2由一個N末端肽酶結(jié)構域（PD）和一個C末端Collectrin樣結(jié)構域（CLD）組成，CLD末尾包含單個跨膜螺旋和一個有約40個殘基的細胞內(nèi)節(jié)段

ACE2中的PD負責裂解血管緊張素（Ang）I產(chǎn)生Ang-（1-9），然后被其他酶加工成為Ang-（1-7）。同時，根據(jù)此前的研究，爪狀ACE2-PD的晶體結(jié)構還提供了冠狀病毒S蛋白的直接結(jié)合位點。對于冠狀病毒細胞的結(jié)合而言，除PD之外，其余ACE2在結(jié)構上均不可用。

研究團隊從418140個選定的粒子中以2.9?的總分辨率進行了3D重建，該復合物以異二聚體的二聚體形式存在。團隊從同一數(shù)據(jù)集中提取了ACE2同型二聚體中PD的兩個構型，即開放和關閉。

結(jié)構比較表明，兩種構象的變化僅通過PD結(jié)構域的旋轉(zhuǎn)而實現(xiàn)，其余復合物幾乎保持不變。

復合物可以同時結(jié)合兩個病毒S蛋白

研究發(fā)現(xiàn)，無論是在開放還是關閉狀態(tài)下，S蛋白都位于ACE2二聚體的外側(cè)。

因此，二聚體ACE2可同時容納兩個S蛋白三聚體。該結(jié)果表明，可能存在二聚體ACE2和三聚體S蛋白之間的潛在聚集，這可能對膜的內(nèi)陷和病毒顆粒的內(nèi)吞作用很重要，這一過程類似于其他受體介導的內(nèi)吞作用。

在病毒感染過程中，糖基化起著重要作用。它使病毒粒子具有高度糖基化的表面 ,幫助它們免受人體免疫細胞識別和攻擊。研究團隊發(fā)現(xiàn)，在ACE2-PD的表面上觀察到了更多的糖基化位點（此前的研究觀察到2個），這是由于該研究的蛋白質(zhì)ACE2是在哺乳動物細胞中取得的，而此前的研究則從桿狀病毒感染的昆蟲細胞中獲得。

在ACE2-B0AT1復合物的結(jié)構中，一共鑒定出7個糖基化位點，其中2個與以前的報告相同。

這些糖基化位點中，3個位于RBD（受體結(jié)合域）結(jié)合位點附近。此前的研究觀察到Asn90和Asn322兩個糖基化位點，而Asn53在本研究中被發(fā)現(xiàn)。

研究表明，氯喹可以干擾ACE2的末端糖基化，可以抑制SARS-CoV感染。同時，這些糖基化的部分是否直接參與病毒S蛋白與ACE2的結(jié)合尚待證實。

氯喹治療新冠肺炎的療效也在近日的國務院聯(lián)防聯(lián)控機制新聞發(fā)布會上被提及。2月17日，科技部生物中心副主任孫燕榮在發(fā)布會上稱，相關專家組一致認為，可以明確已在臨床上用了70多年的抗瘧藥磷酸氯喹治療新冠肺炎具有一定療效。

剖析2019-nCoV感染機制的重要框架

作者們在論文最后寫道，此次發(fā)表的結(jié)構揭示了二聚體組裝中全長ACE2的高分辨率結(jié)構，同時建模分析表明，冠狀病毒的兩個S蛋白三聚體同時與ACE2二聚體結(jié)合。這提醒我們病毒細胞入侵聚集發(fā)生，可能有助于內(nèi)吞作用的膜內(nèi)陷。

研究團隊認為，需要進一步的研究與表征來檢驗ACE2與病毒顆粒之間的相互作用，以及輔助因子如BOAT1和整聯(lián)蛋白對該過程的影響。此次研究是剖析2019-nCoV感染機制的重要框架，并可能促進潛在臨床治療的發(fā)展。