新型冠狀病毒（2019-nCoV）結(jié)構(gòu)及感染途徑

2019新型冠狀病毒（2019-nCoV）是一種新的冠狀病毒，與SARS-CoV同屬于網(wǎng)巢病毒目冠狀病毒科的β-CoV，為一種不分節(jié)段的單股正鏈RNA病毒，其每組基因組長(zhǎng)度約30000個(gè)核苷酸左右。與中東呼吸綜合征冠狀病毒(MERS-CoV)和嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)不同，2019-nCoV是感染人類(lèi)的冠狀病毒家族中的第7個(gè)。從基因序列同源性上來(lái)說(shuō)，2019-nCoV基因組與SARS具有80%的相似性，2019-nCoV與MERS-CoV的基因序列有40%的相似性。

2019-nCoV的結(jié)構(gòu)

2019新型冠狀病毒（2019-nCoV）表現(xiàn)出典型的冠狀病毒屬結(jié)構(gòu)：5個(gè)未翻譯區(qū)(UTR)、復(fù)制酶復(fù)合體(orf1ab)、S基因、E基因、M基因、N基因、3個(gè)UTR，以及幾個(gè)未識(shí)別的非結(jié)構(gòu)開(kāi)放閱讀框。

S蛋白（Spike Protein）

S蛋白是冠狀病毒表面最重要的膜蛋白。它有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域組成?？拷麼端的部分形成一個(gè)球形結(jié)構(gòu)域，靠近C端的部分形成一個(gè)穿膜的棒狀結(jié)構(gòu)。研究表明，S蛋白和冠狀病毒侵入細(xì)胞的過(guò)程密切相關(guān)。S蛋白前體在宿主的細(xì)胞質(zhì)中合成以后會(huì)被切成兩個(gè)部分，S1和S2。

S蛋白前體兩個(gè)切割產(chǎn)物的相互作用關(guān)系

其中S1形成成熟蛋白的球狀部分，S2形成成熟蛋白的棒狀部分，包括一個(gè)N helix，一個(gè)M helix，一個(gè)C helix和一個(gè)穿膜部分。S1和S2之間通過(guò)分子間相互作用力結(jié)合。S2的穿膜部分把整個(gè)S蛋白固定在病毒外殼膜上。

美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研究團(tuán)隊(duì)對(duì)新冠病毒的最新研究結(jié)果顯示，新冠S蛋白約由1300個(gè)氨基酸組成，其被切割成的S1亞基約700個(gè)氨基酸，S2亞基約600個(gè)氨基酸，三個(gè)S1/S2異二聚體組裝形成一個(gè)三聚體尖峰，從病毒包膜突出。其中，300多個(gè)氨基酸構(gòu)成的受體結(jié)合區(qū)RBD是負(fù)責(zé)與宿主細(xì)胞受體結(jié)合的關(guān)鍵。

N蛋白（Nucleocapsid Protein）

N蛋白是冠狀病毒中另一種重要的結(jié)構(gòu)蛋白。在冠狀病毒顆粒中，N蛋白處于病毒顆粒的核心部分，以和Genomic RNA結(jié)合的形式存在。以前對(duì)鼠肝炎病毒的研究表明，N蛋白對(duì)于病毒基因組RNA特征序列的識(shí)別及其與其它結(jié)構(gòu)蛋白的相互作用，對(duì)于病毒粒子的準(zhǔn)確組裝有著重要意義。

M蛋白和E蛋白

M蛋白是一種跨膜蛋白，它與S蛋白的結(jié)合，被認(rèn)為是冠狀病毒顆粒組裝過(guò)程中的又一關(guān)鍵信號(hào)。

基因組分析

利用NCBI上的ORFfinder工具進(jìn)行該病毒的基因組注釋分析。

2019-nCoV基因序列分析

軟件給出了14個(gè)主要的開(kāi)放閱讀框。下圖中標(biāo)明了orf1ab和四個(gè)主要結(jié)構(gòu)蛋白的位置。

2019-nCoV基因序列分析
系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)的構(gòu)建
2019-nCoV系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建

通過(guò)下載一系列相關(guān)的SARS-CoV、bat-SARS-CoV以及一些蝙蝠來(lái)源的α、β冠狀病毒全基因組序列，通過(guò)MEGAX軟件進(jìn)行多重序列比對(duì)并構(gòu)建了系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。可以看到新冠病毒跟bat-SL-CoVZC45屬于同一分支，但距離人源的SARS-CoV病毒較遠(yuǎn)。

2019-nCoV基因組編碼非結(jié)構(gòu)蛋白（比如3-胰凝乳蛋白酶樣蛋白酶、木瓜蛋白酶樣蛋白酶、解旋酶、RNA依賴(lài)性RNA聚合酶）、結(jié)構(gòu)蛋白（比如刺突糖蛋白）和輔助蛋白。上面提到的這四種非結(jié)構(gòu)蛋白是病毒生命周期中的關(guān)鍵酶，而刺突糖蛋白（spike protein）對(duì)于病毒進(jìn)入細(xì)胞過(guò)程中的病毒-細(xì)胞受體相互作用是必不可少的。棘突蛋白包含2個(gè)亞單位：S1和S2。S1能夠促進(jìn)病毒與宿主細(xì)胞受體的結(jié)合，其含有一個(gè)重要的C端RBD結(jié)構(gòu)域，正是這個(gè)區(qū)域負(fù)責(zé)和受體結(jié)合。新型冠狀病毒RBD結(jié)構(gòu)域的有一些基因區(qū)域與SARS有高度的同源性。其中SARS感染的5個(gè)關(guān)鍵位點(diǎn)中，有1個(gè)被新型冠狀病毒保留，其余4個(gè)有氨基酸的替換和變化。2019-nCoV由于RBD結(jié)構(gòu)域氨基酸變化，丟失了一些氫鍵作用，使得自由能上升，說(shuō)明新型病毒結(jié)合能力要弱于SARS-CoV。有研究表明，2019-nCoV 與嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒?(SARS-CoV)? 密切相關(guān)，被認(rèn)為與 SARS 具有相同的受體即血管緊張素轉(zhuǎn)換酶 2?(ACE2)，ACE2 在介導(dǎo) 2019-nCoV 感染中的作用已經(jīng)得到證實(shí)。

2019-nCoV感染機(jī)制

與SARS相似，新型冠狀病毒是通過(guò)S-蛋白與人ACE2互作的分子機(jī)制，來(lái)感染人的呼吸道上皮細(xì)胞。2019-nCoV能夠識(shí)別血管緊張轉(zhuǎn)化酶2（ACE2），通過(guò)棘突蛋白與ACE2結(jié)合再通過(guò)胞吞作用侵入細(xì)胞。ACE2為膜蛋白，在肺部細(xì)胞多有分布，病毒與ACE2結(jié)合后進(jìn)入肺細(xì)胞，導(dǎo)致肺炎。S蛋白介導(dǎo)冠狀病毒的入侵過(guò)程主要分為兩個(gè)部分：

1、S蛋白識(shí)別并結(jié)合宿主細(xì)胞受體

新冠狀病毒通過(guò)S蛋白上受體結(jié)合域RBD與宿主細(xì)胞的受體ACE2結(jié)合，這是病毒感染的起始步驟。最近，發(fā)表在BioRxiv的文章“Crystal structure of the 2019-nCoV spike receptor-binding domain bound with the ACE2 receptor”中，作者利用X射線衍射技術(shù)，解析了2019-nCoV表面刺突糖蛋白受體結(jié)合區(qū)與人受體ACE2蛋白復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分析確定了2019-nCoV中對(duì)ACE2結(jié)合至關(guān)重要的殘基，其中大多數(shù)是高度保守的或與SARS-CoV RBD中的殘基具有相似的側(cè)鏈特性。這種結(jié)構(gòu)和序列上的相似性強(qiáng)烈支持2019-nCoV和SARS-CoV RBD之間會(huì)發(fā)生融合進(jìn)化，從而改善與ACE2的結(jié)合，盡管它們被隔離在β冠狀病毒屬的不同遺傳譜系中。

2019-nCoV RBD/ACE2接觸殘基

2、病毒與宿主細(xì)胞融合

當(dāng)2019-nCoV RBD與細(xì)胞表面受體ACE2特異結(jié)合后，S2蛋白會(huì)發(fā)生構(gòu)象變化，在宿主蛋白酶的切割下被激活，S蛋白構(gòu)象發(fā)生改變，膜融合肽釋放，插入到宿主細(xì)胞膜上，隨后S2亞基上的兩個(gè)七肽重復(fù)序列形成六螺旋束，拉近病毒包膜與宿主細(xì)胞膜之間的距離，進(jìn)而促使病毒與宿主細(xì)胞融合，介導(dǎo)病毒的進(jìn)入。

有研究表明，2019-nCoV與ACE2的親和力是SARS與ACE2親和力的10~20倍。當(dāng)2019-nCoV Spike蛋白與ACE蛋白結(jié)合后，結(jié)合的5個(gè)氨基酸有4個(gè)發(fā)生了變化，但是整體上蛋白的構(gòu)象并沒(méi)有改變，因此2019-nCoV與ACE2具有很高的親和力。