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新冠病毒完整结构图到底多牛 
来源:infomash.org  阅读量:553

新冠病毒的完整结构图受访者供图

“我希望大家能好好看一看。对于新冠病毒进化的思考,它确实给人很多启迪。”9月19日,在一次学术研讨会上,“人民英雄”国家荣誉称号获得者、中国工程院院士张伯礼展示了一张新冠病毒的完整结构图。

这是一张什么图?居然能赢得张伯礼院士为它打CALL。不止如此,据报道,该研究还得到了中国科学院院士施一公、中国工程院院士李兰娟的鼎力支持,并受到美国普林斯顿大学教授颜宁“不要找借口、3天内必须写完论文”的激将式敦促。

9月20日,科技日报记者前往清华大学结构生物学高精尖创新中心研究员李赛研究组,试图一探究竟。

给整个病毒做“CT” 从里到外看得清清楚楚

9月15日,《细胞》在线发表李赛团队与李兰娟院士团队合作完成的研究论文《新冠病毒的分子结构》,他们通过冷冻电镜断层成像技术,把新冠病毒看了个清清楚楚。

冷冻电镜,结构解析,听到这两个关键词,科技粉儿可能会觉得:已经火了好些年、还能有什么新东西、不就是换个材料再做一次?

然而,新科技的发展,总能让人直呼“知识贫瘠限制了想象!”

“我们把新冠病毒放在冷冻电镜下,每旋转3°拍摄一张照片,总共拍了41张,随后进行立体重构。”李赛告诉科技日报记者,每旋转一次都必须与上一次保持高度吻合,细微的横向偏差都难以实现高精度。

这种分布拍摄的方法和医学CT成像原理类似,不同的是前者使用电子衍射成像,而后者使用X射线衍射成像。

俗话说“知人知面不知心”。李赛却坚持解析病毒的“心”。团队在病毒内部“打手电”,穿过囊膜,直击里层的RNA和缠绕结构,展示出迄今为止最完整的新冠病毒形象。

分析100TB数据 绘制新冠病毒“大众脸”

2018年,原本在英国牛津大学工作的李赛回国到清华大学工作,组建自己的实验室。在此之前,李赛见识、解析过更为烈性的4级病毒,也让多个3级病毒现出真身,包括令人闻风丧胆的沙拉病毒、裂谷热病毒等。

当新冠病毒袭来,李赛坐不住了。他通过施一公联系上正在武汉抗疫一线的李兰娟,希望能够获得灭活新冠病毒以供电镜研究。李兰娟院士当即安排团队与李赛对接。通过严格的多聚甲醛灭活,新冠病毒虽然“死了”,但还能保持活着的原貌。随后,灭活病毒经过严格程序进入清华大学实验室。

辗转获得病毒毒株后,李赛和团队的周工作时长超过120小时。4月,团队顺利采集了两批100TB的高质量冷冻电镜断层图像数据。

千毒千面的病毒,哪些是最核心的特性呢?当研究进入计算分析阶段,即用子断层图像平均法获得高分辨率结构时,必须通过对病毒重构,将核心特征汇集起来,才能绘制出新冠病毒“大众脸”。

2300颗病毒的三维构像中,哪些刺突蛋白最具代表性?李赛和团队开始人工挑拣,这是一项极具“匠人”特性的工作,全凭研究人员过往对于其他病毒研究的经验积累,5万个病毒表面的刺突蛋白被挑选出进入下一步的蛋白分析。

经过整体和局部的综合分析,新冠病毒的“狡诈”本质显露无疑——表面刺突蛋白非常少,平均不到30个,却可以自由游走、旋转。

“在人类认知范围内,首次见识这样的囊膜病毒。”李赛说,蛋白旋转的特征让新冠病毒在攻击细胞时,可以自由调整方位,和受体结合。“见风使舵”的特性让它极具传染性。

锁定骨架蛋白 破解病毒攻击宿主的策略

遗传物质决定生命体的性状,冠状病毒拥有目前已知所有RNA病毒中最长的RNA,其核苷酸达近3万个,是如何做到的?李赛团队将目光投向收纳RNA的骨架蛋白。

“这些领域之前无人研究。”李赛说,在重塑核糖核蛋白复合物(RNP)时,没有任何可能的预期和参考。他带着学生在2万个核糖核蛋白中“寻宝”。“大多数需要我亲自挑选,因为我们对内部蛋白的认知实在太少了,而且在病毒体内这些蛋白‘像一串葡萄’一样拥挤在一起,必须高精度区分,以免误把其他蛋白的部分圈进来。”李赛说。

新冠病毒的囊膜内蛋白群日渐清晰,呈现出“巢中蛋”的结构。在新冠病毒的“老巢”,超长RNA致密缠绕,蛋白为RNA提供了超强规则感的骨架,它们贴着囊膜以六聚体的“鸟巢”方式排列,在球心位置又以正四面体的“金字塔形”排列。就这样,新冠病毒既可将体长100倍的核酸塞进自己体内,又能迎接变幻莫测的外部挑战。

“核蛋白规则的排列,有助于收纳超长RNA;当病毒攻击宿主后,又能够有序地把RNA释放出去,不至于有所缺损。”李赛说,它们在攻击宿主时能演变成旋转的线轴,高速输出并侵染新的宿主。

结构数据全球共享 有助研发更高效疫苗

对于新冠病毒,人类知之甚少。正因为如此,学术界对相同问题往往有不同的答案。例如,关于一种被命名为CR3022的中和抗体对新冠病毒的抑制能力,3月,《科学》杂志发文认为其具有很强的中和能力;但其他团队之后却发现CR3022对活病毒缺乏中和效应。

为什么研究结果会相互矛盾?原来前者中和试验使用的是体外重组的病毒蛋白,而后者用的是活病毒。

“高精度的新冠病毒完整结构图显示它的表面蛋白会‘变脸’:有时呈抗原暴露状态,有时呈抗原隐藏状态,有时还会处于与膜融合的状态。体外重组只有模仿出它的‘变脸’才能揭示其作用规律。”李赛说。

李赛团队的研究还为之前的研究做了纠偏和补充。例如,今年3月对外公布的第一张新冠病毒的冷冻电镜照片中,病毒的刺突蛋白几乎全是针状的。

“这可能是由于对活病毒的灭活处理破坏了病毒本身的蛋白结构,使其S1亚基脱落,S2亚基发生了向与膜融合状态的构象变化。”李赛说。

高精度病毒完整结构图有助于人类开发出更高效的疫苗。“现在用的灭活疫苗的灭活方法可能无法给病毒的刺突蛋白留下‘全尸’,这理论上会影响其激发中和抗体的有效性。”李赛说,这些都是可以更深入研究的工作。

李赛团队已将新冠病毒高清三维结构上传至结构生物学的数据库EMDB(Electron Microscopy Data Bank),供全球科学家免费下载,助力科普教育、科学研究、疫苗开发等工作。

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