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生命学院王新泉与医学院张林琦、微软亚洲研究院王童合作揭示刺突蛋白N370位点糖基化缺失在新冠病毒进化过程中的重要意义
2022/02/16 1171

新型冠状病毒(SARS-CoV-2)引发的疫情延续至今,目前我们对其跨物种传播途径与进化分子机制仍知之甚少。冠状病毒表面的刺突糖蛋白(spike)在病毒入侵宿主细胞过程中负责受体识别和介导膜融合,并且刺突蛋白的氨基酸序列与结构的分子进化影响其对不同物种受体的识别,因而刺突蛋白的分子进化是冠状病毒实现跨物种传播的一个关键因素。

蝙蝠冠状病毒RaTG13分离自中国云南省中华菊头蝠,与新冠病毒基因组序列一致性为96.2%。穿山甲冠状病毒(Pangolin coronavirus, PCoV)分离自广西壮族自治区和广东省查获的境外走私穿山甲,其基因组与新冠病毒基因组序列一致性也达到了85.5% -92.4%。王新泉课题组之前报道了蝙蝠冠状病毒RaTG13和穿山甲冠状病毒PCoV_GX刺突糖蛋白结构,发现RaTG13与PCoV_GX的刺突糖蛋白结构与新冠病毒刺突糖蛋白结构相似,并且PCoV_GX刺突糖蛋白与受体亲和力与新冠病毒也相当,但是新冠病毒的感染能力更强。为了从刺突蛋白的角度探究新冠病毒感染力强的分子机制,通过结构比较,本研究发现在RaTG13与PCoV_GX的刺突糖蛋白结构中,受体结合域(RBD)与其周围的三个聚糖(NAG165、NAG234、NAG370)存在相互作用,但是新冠病毒却缺失了N370位点的糖基化修饰。进一步通过序列比对,发现在129种β冠状病毒Sarbecovirus亚属中,N370位点的N糖基化修饰在128种Sarbecovirus亚属成员中高度保守,唯一例外是新冠病毒刺突糖蛋白发生了T372A突变,从而导致N370位点的N糖基化缺失。


图1 新冠病毒刺突蛋白N370位点的糖基化缺失


为了探究新冠病毒刺突糖蛋白该位点糖基化缺失的意义,本研究结合假病毒入侵、电镜结构解析、亲和力测定和分子动力学模拟,发现当新冠病毒刺突糖蛋白N370位点发生糖基化修饰时,其假病毒入侵能力显著降低,刺突糖蛋白的构象更易处于受体结合非活跃态,并且刺突糖蛋白与受体ACE2的亲和力也下降。以上研究揭示了在进化过程中,新冠病毒刺突糖蛋白N370位点的糖基化缺失,对于新冠病毒刺突糖蛋白构象转变为受体结合活跃态,与受体ACE2亲和力的提升与感染能力的提升具有重要意义。


图2 N370糖基化对刺突糖蛋白感染力、受体亲和力与构象的影响


该研究工作2022年1月12日在Cell Research上发表,题为“新冠病毒刺突糖蛋白N370位点糖基化的缺失是进化过程中的重要分子事件”(Loss of Spike N370 glycosylation as an important evolutionary event for the improved infectivity of SARS-CoV-2)。清华大学生命科学学院王新泉教授、清华大学医学院张林琦教授与微软亚洲研究院王童博士为本文的共同通讯作者。王新泉教授课题组博士生张姝媛与张林琦教授课题组博士生梁清泰为本文的共同第一作者。电镜数据采集和计算工作在国家蛋白质科学研究(北京)设施的冷冻电镜平台和生物计算平台完成,质谱分析工作由蛋白质研究技术中心蛋白质化学与组学平台完成。本工作获得北京市结构生物学高精尖创新中心、北京市生物结构前沿研究中心、蛋白质科学教育部重点实验室、科技部重大科学研究计划专项、清华大学“春风基金”的大力支持。


文章链接:https://www.nature.com/articles/s41422-021-00600-y

转载链接:https://www.life.tsinghua.edu.cn/info/1131/3578.htm


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