冠状病毒MERS-CoV和SARS-CoV的spike糖蛋白的结构及功能研究

Both MERS-CoV and SARS-CoV are zoonotic pathogens that cause serious health threads to humans because of their high fatality rate, transmissibility and potential emerge and spread risk. The key determinant of host specificity of these viruses is the envelope-located trimeric spike glycoprotein, which recognizes and binds to the cellular receptors of the host and mediates virus-cell membrane fusion. Hence, spike glycoprotein is a promising target for the development of prophylactics and therapeutics. This project will focus on the investigation of the fusion conditions and fusion states of the spike trimers from MERS-CoV and SARS-CoV, and determine the high resolution structures of the spike proteins during states of intermediate fusion and post-fusion, and also the structures of spike proteins complexed with their antibody or inhibitor, by using single-particle cryo-electron microsopy (Cryo-EM) and X-ray crystal diffraction methods. This study should help to understand the structure details and conformational changes of spike proteins in the processes of membrane fusion, reveal the fusion mechanism of these coronavirus, and provide new insights into the development of effective therapeutics.

新型冠状病毒MERS-CoV和SARS-CoV均是动物源性病毒，它们的高致死率、传染性及再次爆发的潜在危险性严重威胁着人类的生命健康，目前仍缺乏有效的防治手段。位于冠状病毒包膜表面的纤突状spike糖蛋白介导了病毒对宿主细胞的识别、锚定和入侵过程，直接决定着病毒的宿主范围和宿主特异性，在病毒传播及感染过程中起着重要作用。同时，它作为病毒表面的主要抗原成分，是重要的疫苗及药物靶点。本项目将探索MERS-CoV和SARS-CoV的spike蛋白三聚体的融膜条件和融膜过程，并结合冷冻电镜单颗粒重构技术和蛋白质晶体学技术解析其在融膜启动、融膜中和融膜后不同状态的高分辨率结构，以及它们与相应抗体或抑制剂的复合物结构，揭示spike蛋白在融膜过程中的结构特点和构象变化，阐明冠状病毒spike蛋白的融膜机制，探究抗体或抑制剂的抗病毒机制，为相关疫苗和药物的开发提供结构基础和指导方向。

具有高致死率和高传播能力的人冠状病毒SARS-CoV和MERS-CoV以及近年来引发全球疫情的新冠病毒SARS-CoV-2已经对人类的生命健康安全和全球经济发展造成了巨大危害，并且自然界中潜在的未知冠状病毒仍有再次爆发的风险，亟待找到有效的防治手段。本项目聚焦SARS-CoV病毒表面的棘突状Spike糖蛋白开展研究。与相对可变的负责受体识别的S1亚基相比，负责融膜过程的S2亚基是高度保守的，因此基于S2亚基的相关研究有望帮助广谱性抗病毒研究。本项目通过体外模拟膜融合环境，成功将外源表达纯化的Spike糖蛋白从融膜前构象诱导成均一稳定的融膜后构象，并运用冷冻电镜单颗粒三维重构技术，解析了其高分辨率结构并成功搭建了结构模型，相关成果已于2020年发表于Nature Communications杂志上。这项工作解析了首个高致病性人冠状病毒Spike糖蛋白的融膜后结构，阐释了其在融膜前后产生的巨大构象变化，通过结构分析与比对，进一步揭示了其中潜在的抗原表位和药物靶点，为相关广谱性疫苗及药物的研发提供了结构基础和设计思路。