重要β-冠状病毒刺突蛋白结构、功能、受体选择特性及跨种传播机制研究

Betacoronaviruses (betaCoVs) are important zoonotic pathogens that infect both animals and humans. The repeated cross-species transmission of betaCoVs, as exemplified by the SARS-CoV pandemic in 2002-2003 and the MERS-CoV epidemic since 2012, has caused huge life and economic losses and raised severe public health concern both in China and around the world. The surface spike (S) protein of coronavirus can initiate the viral infection by recognizing the host cell receptors and mediating membrane fusion, and is therefore a key factor determining the viral tissue tropism, host range and cross-species transmission potential. A detailed study on the structures, functions and receptor binding specificities of important betaCoVs can facilitate the health workers to prepare for the potential betaCoV interspecies transmission events, and is therefore urgently needed. Our previous study reported the receptor-recognition basis of MERS-CoV in Nature. In this proposal, we will further extend our study to the betacoronavirus genus. For important betaCoV members, the receptor binding domain (RBD) in the viral S protein will be systematically studied for the structural and functional features and the receptor-recognition basis. Furthermore, we will use SARS-CoV and MERS-CoV as the representatives to characterize the structural features of the intact S protein. Finally, the S-domain structures of betaCoVs from different phylogenetic groups will be individually compared and analyzed, aiming to present a full picture depicting the virus evolutionary routes. The knowledge obtained in this study on the evolution and interspecies transmission mechanisms of betaCoVs should be valuable in counteracting potential coronaviral epidemics in the future.

β-冠状病毒是一类重要的动物源性传染病病原，是威胁我国以及世界公共卫生安全的重要隐患。冠状病毒表面刺突（S）蛋白可以识别受体并介导膜融合，是决定病毒的组织嗜性、宿主范围以及跨种传播的关键因素。研究代表性β-冠状病毒S蛋白的结构、功能、受体选择特性和跨种传播机制，将为有效应对潜在的β-冠状病毒跨种感染事件提供参考。申请人之前发表在《Nature》杂志上的工作报道了β-冠状病毒MERS-CoV识别受体的分子机制。本项目拟将工作进一步扩展到与人类疾病密切相关的整个β-冠状病毒属，研究代表性病毒S蛋白与受体的相互作用特征，揭示病毒识别受体的分子机制和结构基础；并以SARS-CoV和MERS-CoV为切入点，研究S蛋白的整体结构特点；同时比较不同进化亚群β-冠状病毒S蛋白的结构异同，揭示其分子进化规律；最终对β-冠状病毒的进化过程和跨种传播机制有一个全面深入的认识，为有效的冠状病毒防控提供依据。

冠状病毒是一类重要的、可引起人类疾病的传染病病原，一旦跨越种间屏障感染人类，可引起严重的传染性疾病，甚至造成全球性公共卫生安全事件。病毒侵入宿主的第一步是病毒表面蛋白与宿主细胞表面特异性受体之间的相互作用。在冠状病毒中，其表面的刺突（spike，S）蛋白负责识别宿主受体并介导病毒侵入，是病毒能否以及如何实现跨种传播的决定性因素。鉴于此，本项目拟针对一些代表性的β-冠状病毒，通过整合结构生物学、生物化学、细胞生物学等研究方法，开展了深入的刺突蛋白的结构、功能和受体选择特性等研究。截至目前，我们靶向MERS冠状病毒，开展了病毒刺突蛋白CTD与7种不同蝙蝠CD26受体分子的互作研究，通过蛋白水平的biacore互作分析、基于假病毒的病毒侵入实验，以及基于结构生物学的病毒刺突蛋白与受体分子的复合物晶体结构研究，证明了7种蝙蝠受体分子均能够被MERS冠状病毒识别并介导病毒侵入，而且其互作模式与人源受体的互作模式高度相似；靶向MERS冠状病毒和SARS冠状病毒，开展了病毒刺突蛋白的整体结构特征研究，利用冷冻电镜技术，解析了病毒刺突蛋白处于融合前构象状态下的原子分辨率水平的结构；选取先前未有结构研究的代表性β-冠状病毒，靶向其刺突蛋白的NTD和CTD功能结构域，开展了晶体结构研究和多糖互作等功能研究，解析了OC43-CTD，HKU23-CTD，HKU14-CTD，HKU9-CTD，HKU23-NTD的高分辨率晶体结构，同时还获得了HKU4-NTD，HKU5-NTD和HKU9-NTD的晶体，测定了HKU23-NTD的多糖结合活性；选取了人冠状病毒OC43，尝试开展了与OC43-CTD互作的宿主受体分子的鉴定工作，以及靶向猪delta冠状病毒，开展了病毒刺突蛋白与宿主受体APN的互作研究工作。这些研究数据，即丰富了我们对冠状病毒分子进化过程的认识，对于了解冠状病毒的跨种传播过程也具有一定的指导意义。