SARS-CoV-2完整病毒颗粒的分子结构

来源：BioArt

新型冠状病毒（SARS-CoV-2）目前仍在肆虐，对SARS-CoV-2结构的研究也层出不穷，目前已知SARS-CoV-2基因组编码29种蛋白（全面了解SARS-CoV-2编码的29种蛋白），其中四种为结构蛋白，分别为：刺突（S）蛋白、核衣壳（N）蛋白、膜（M）蛋白和包膜（E）蛋白【1】。

冠状病毒基因组是所有RNA病毒中最大的，N蛋白如何在病毒中组装长达30 kb的单链RNA是一件令人困惑的事情，目前为止，还没有针对冠状病毒核糖核蛋白（SNP）的分子模型，对其他RNA病毒的RNPs结构和RNA包装也知之甚少。

为了解决这个问题，2020年9月14日，清华大学李赛团队和浙江大学李兰娟院士团队合作，在Cell上在线发表了题为“Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus”的研究论文，结合冷冻电子断层扫描（cryo-ET）和子断层扫描图平均化（STA）对早期毒株来源的2294个完整的病毒颗粒进行成像分析，详细的揭示了SARS-CoV-2的完整病毒结构，阐明了病毒如何在直径80 nm的内腔中包装长达30 kb的长链RNA。值得注意的是，本研究曾于8月12日上传至bioRxiv，该研究也是目前为止SARS-CoV-2病毒的最大cryo-ET数据集。

研究人员首先用cryo-EM对完整的SARS-CoV-2结构和全景进行分析，从2294个病毒颗粒中鉴定出56832个S蛋白，其中约97%为融合前构象，每个病毒颗粒随机分布约26 ± 15个融合前的S蛋白；病毒内腔内鉴定了18500个RNPs（ ribonucleoproteins），平均每个病毒有26 ± 11个RNPs，由于堆积较紧密且电子不透明，据估计实际要多20%到30%，即每个病毒颗粒有30到35个RNPs。SARS-CoV-2的受体结合域（RBD）以8.7到10.9Å的分辨率展示，其中“向下”的构象约占54%。

图1. SARS-CoV-2病毒的分子结构

进一步，研究人员使用质谱法（MS）分析了天然S蛋白的22个N-糖基化位点的多糖组分。相比于重组S蛋白，天然的融合前S蛋白的糖基化的多糖复杂程度更高。此外，研究人员认为，基于重组S蛋白的疫苗策略在糖基化特征方面也是很有希望的。同时，综合融合后的S蛋白结构分析，天然的融合前S蛋白很不稳定，且暴露的表位比重组蛋白更为复杂。

图2. SARS-CoV-2病毒S蛋白的天然融合前结构

最后，研究人员对RNPs的结构进行解析，提出了一个RNA缠绕RNP的结构模型，RNPs的2D层面分为紧密包装包膜的RNPs以及六边形和三角形包装的RNPs，3D层面上，靠近膜的RNPs则形成了一个六面体结构，无膜的则形成四面体结构。六面体和四面体的两个相邻的RNPs间距相同，且一些四面体可以组装成六面体，这表明三角形包装的RNPs在整个病毒颗粒中是一个关键的基本包装单位。此外，研究人员进一步提出RNPs参与冠状病毒的组装，并帮助加强病毒对物理环境的抵抗力。

图3. RNP的天然装配

总的来说，该研究解析了真实的SARS-CoV-2的分子组装，基于约2300个完整的病毒颗粒，在分子层面上提供了融合前和融合后的S蛋白结构、RNPs以及他们是如何装配病毒的。此外，还分析了天然S蛋白上的N-糖基化结构，重建后的病毒图谱由SARS-CoV-2真病毒的包含向上和向下构象RBD的S蛋白、脂膜和RNP成分组成，电镜数据库编号为EMD-30430，为将来的分子动态模拟、3D打印等方面提供模型。

图4. SARS-CoV-2真病毒颗粒的完整分子结构

参考文献

1. Kim, D., Lee, J.Y., Yang, J.S., Kim,J.W., Kim, V.N., and Chang, H. (2020). The Architecture of SARS-CoV-2Transcriptome. Cell 181, 914-921 e910.