SARS-CoV-2穗蛋白融合转化

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蛋白质组链接蛋白质组链接

这个SARS-CoV-2的棘突蛋白在冠状病毒与宿主细胞ACE2受体的粘附，以及通过病毒和宿主细胞膜的融合将病毒的RNA基因组进入宿主细胞，从而引发感染。你可能会发现阅读很有帮助呋喃引发SARS-CoV-2穗蛋白在继续阅读下面的文章之前。

所有型号 显示：非对称单元 生物组件 用鼠标拖动结构进行旋转  导出动画图像 介绍 SARS-CoV-2尖峰蛋白经历了剧烈的构象重排()在冠状病毒膜与宿主细胞膜融合中起核心作用[1]SARS-CoV的棘突蛋白也观察到类似的构象变化[2]和小鼠肝炎病毒[3]等等。这些重排也与流感血凝素的膜融合机制有很多共同之处[4][5]。本文中的分子场景基于冷冻电镜蔡、张和陈兵小组的同事于2020年7月报道了SARS-CoV-2棘突蛋白融合前和融合后的结构[1]. 单击缩略图以跳转到完整大小，并提供以下解释： 预熔结构 单击绿色链接以改变分子场景。拖动以旋转。 缩放使用鼠标滚轮或Shift-Drag向上/向下移动分子。 这个是一个同源素，每条链有1261个氨基酸的成熟长度。这种融合前低温电磁结构8年6月除110个C-末端残基（窄端）外，其余均完整，包括48个茎残基（七肽重复序列2结构域）、23个残基跨膜结构域和39个残基细胞质结构域。 域 如蔡、张等.[1](长度): S1受体结合区： 14-305 (292):N端域. 306-330 (25):链接器. 331-527 (197):受体结合结构域与血管紧张素转换酶2（ACE2）结合。 528-590 (63):CTD1号机组（furin裂解后S1片段的C末端区域）。 591-685 (95):CTD2型（furin裂解后S1片段的C末端）。 677-688 (12):粉红色的球标记furin解理位点[6]（由于混乱，此模型中缺少）。 S2融合区： 686-815 (130):链接器 817-825 (9):融合肽（FP）. 826-833 (8):融合肽近端区（FPPR）. 834-909 (76):链接器 910-984 (75):七肽重复序列1（HR1） 985-1034 (50):中心螺旋（CH） 1035-1067 (33):连接器域（CD） 1068-1162 (95):链接器 1163-1273 (111)：由于混乱，此模型中缺少。茎（七重复序列2，HR2），跨膜结构域，细胞质结构域。 如果只查看三条链中的一条，则更容易看到域：   激活 蛋白酶，通常呋喃，在标记的位置切割链条粉红色的球[6]，但现在有六条链的组件仍然完好无损。切割可能有助于延伸一个受体结合域以接合ACE2受体。这个“启动”切割将蛋白质S的每条链分成一个N末端S1（第一阶段）受体结合片段和C端S2系列融合碎片[1].，稍后将分离。 与ACE2结合和第二次蛋白水解切割被认为触发S1的释放[1]，之后通过从红色球. 模型的局限性 接下来，发生戏剧性的构象转变，触发膜融合。我们将比较融合前冷冻-EM模型(8年6月)使用后融合模型(6倍半径). 然而，这两个模型只有两个共同的蛋白质片段，序列范围为703-770和912-1162（319个残基或588个残基S2融合片段的54%，686-1273）。预融合模型的各个部分因此，融合前后的比较将涉及. 融合 病毒与宿主细胞膜的融合当棘突蛋白带病毒膜（靠近红色的球)非常接近宿主膜，在宿主膜附着到融合肽后（靠近蓝色的球). （1） 当有一个长螺旋，末端有融合肽（靠近蓝色的球). （该模型中没有融合肽。） （2） 病毒膜附着在红色的球. The（靠近蓝色的球)，启动膜融合。病毒膜比图中更靠近：这些模型没有茎。这个红色的球实际上会更接近蓝色球比这些模型显示的要多。 使用切换动画按钮以根据需要重新启动动画。 记住变形旨在帮助您比较两种结构。这个变形并没有描绘一个真实的过渡路径。 （3） . 安 [7]两种构象之间显示了一些二级结构是如何被保留的，而结构元件基本上改变了方向和位置。使用上面的按钮启动和暂停变形。 膜融合示意图 现在你了解了发生的各种动作，你会更好地欣赏. 膜融合假说可以通过这个示意图加以澄清。这是针对流感病毒的，但原理是相同的。 图1：脂质双层.受体（SARS-CoV-2的ACE2）.受体结合域.融合肽. 改编自a中的图3Hamilton、Whittaker和Daniel于2012年审查[4]在a下CC归属许可证3.0，反过来改编自2006年原创作者：David Goodsell.作者的许可[8] 膜融合的分子动力学模拟 分子动力学模拟与这个假设是一致的。以下是分子动力学模拟中含有流感血凝素的脂质体与脂质双层融合[5]. 图2：分子动力学模拟的结果。注意左侧脂质双层中嵌入的融合肽（绿色）。改编自Pabis、Rawle和Kasson的图1[5].根据PNAS许可。Peter Kasson于2020年8月8日确认适当使用。 糖基化 两个、和具有广泛的N-连接糖基化(红色和灰色，因为低温电子显微镜可能只能解析蛋白质近端部分）。受体结合表面未观察到聚糖。糖基化可以保护尖峰蛋白免受抗体和病毒环境的其他损伤[1]. 意外发现 自发融合转化 图3：在没有ACE2的情况下，融合前和融合后棘突蛋白构象的混合病毒。图5A（裁剪）来自蔡、张和同事[1]根据知识共享署名4.0国际中指定的许可证科学类陈兵于2020年8月7日也给予了许可。 这个融合变换包括S1的丢失，发生在温和洗涤剂中纯化的全长穗蛋白的大部分中缺乏宿主细胞或ACE2受体蔡、张和同事[1]注意，其他研究人员在电子显微照片中多次观察到融合后S2构象。他们认为，病毒粒子通常包含融合前全长和融合后S2片段构象的混合物，融合后的S2尖峰蛋白可能有助于保护融合前形式，并可能诱导非中和抗体反应。 结构更紧凑 先前对穗蛋白可溶性胞外部分的研究利用了一种双脯氨酸突变（K986P，V987P）来稳定融合前构象[1][9].K986P似乎消除了盐桥，导致内部电荷不满足要求[1]野生型盐桥可能有助于蔡、张和同事观察到的更紧密、更清晰的结构[1]使用全长野生型蛋白质。 防止与药物融合 图4：罗密欧、亚科维利和法尔科尼的图形摘要[10]根据爱思唯尔的新冠肺炎大流行许可证复制[11]马蒂亚·法尔科尼（Mattia Falconi）也于2020年8月12日给予许可。 SARS-CoV-2尖峰蛋白有两个内腔：（i）(6兹吉)然后（ii） 当一个受体结合位点延长较小的内腔似乎对融合功能至关重要。许多融合抑制药物被发现结合在相关蛋白质的类似小空腔内，逃逸突变聚集在该空腔内或附近[10]使用带有严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型刺突蛋白冷冻电镜模型的虚拟筛选模拟(6vsb型)罗密欧、亚科维利和法尔科尼[10]已确定的可用药物，已经批准或正在临床试验中，似乎可能通过在较小的腔中结合来阻止融合转化。 滚动到下面查看相关页面、Powerpoint-ready动画、方法、参考和注释。

幻灯片的动画

这些动画可以放在演示幻灯片中（Powerpoint、谷歌幻灯片、Libre Office Impress等）。如上所述红色的球靠近病毒包膜，并且蓝色的球靠近宿主细胞膜。如上所述，这些是线性插值变形从8年6月到6倍半径.

固体聚变变换

下载（右键单击，将链接另存为）500像素宽的实体动画。这只显示了α-碳，其尺寸被放大到6.2º直径，以形成固体物体。请记入贷方蛋白质体。组织符合我们的许可证、和蔡、张和同事^[1]用于低温电磁结构。

主链融合改造

下载（右键单击，将链接另存为）500像素宽的主链动画。这显示了平滑的主链（主干）轨迹。请记入贷方蛋白质体。组织符合我们的许可证、和蔡、张和同事^[1]用于低温电磁结构。

转换的替代路径

鉴于变形旨在帮助您比较两种结构，而不是描绘现实的过渡路径，我们可以想象有许多路径。下面是另一个，当结构元素改变构象时，它们以铰链运动的方式从核心结构中摆动。此变形中的另一个选择是为不同的更改设置不同的时间，以便能够一次跟踪一个更改。

在全分辨率下的变形中，你可以看到一个大空腔消失，β片从不同的亚单位（亚单位以绿色、蓝色和红色显示）获得额外的链，核心螺旋束的变化以及由三个螺旋组成的卷曲线圈突起的形成。

下载（右键单击，将链接另存为）720像素宽的主链动画。这显示了平滑的主链（主干）轨迹。请记入贷方蛋白质体。组织符合我们的许可证、和蔡、张和同事^[1]用于低温电磁结构。

下载（右键单击，将链接另存为）720像素宽的主链动画。这表明C-α原子是大球体。请记入贷方蛋白质体。组织符合我们的许可证、和蔡、张和同事^[1]用于低温电磁结构。

融合前刺突蛋白

这些显示SARS-CoV-2尖峰蛋白8年6月按域着色（请参见颜色键在上面). 这个受体结合域位于顶部。底部延伸穿过模型中缺失的部分：茎、跨膜结构域、细胞质结构域。粉红色的球标记分离S1和S2的furin裂解位点。右边的电影中S1是半透明的。请记入贷方蛋白质体。组织符合我们的许可证、和蔡、张和同事^[1]用于低温电磁结构。

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其他动画？

如果您想要其他内容的演示动画，请随意联系我们.

另请参见

• 呋喃引发SARS-CoV-2穗蛋白-膜融合前的步骤。
• SARS-CoV-2尖峰蛋白突变怀疑会增加传播率。
• SARS-CoV-2蛋白S
• 尖峰蛋白
• 2019年冠状病毒病（COVID-19）
• Prefusion 2019-nCoV spike糖蛋白，具有单个受体结合域关于6vsb型
• Jmol/空洞和隧道
• 空腔程序

方法

变形

融合前结构8年6月是变形的融合后结构6倍通过线性插值，请求14个中间帧（总共16个），使用服务器由Karsten Theis提供在另一种方法之后^[12]给出了不令人满意的结果。为了避免变形中的人为移动，在变形之前，需要在6xra中进行两项更改：（i）需要交换链B和链C的名称（使用SwissPDBViewer完成），以及（ii）需要绕Z轴旋转+120°的结构（Jmol“rotateselected”命令）。morph是一个11 MB的文件，加载到JSmol需要25秒。每个脚本至少需要8秒才能完成。为了减少此文件的体积和JSmol的处理时间，通过删除PDB文件中的所有其他行来提取α-碳（连同MODEL和ENDMDL记录）^[13]。生成的16模型变形PDB文件为图片：Morf-6xr8-6xra-theis-cao.pdb.

内部空腔

6兹吉已加载到Jmol Java应用程序（比…快11倍JSmol公司)，并渲染为半透明主干，每个链具有不同的柔和颜色。命令

isosurface minset 100内腔3.0 10.0

已执行（约45秒）。该命令中的数字参数是通过反复试验确定的（请参见Jmol/气穴和隧道). 腔表面数据保存为Jmol体素数据，并上传至Proteopedia图片：6zgi-cavities.jvxl上面的按钮读取该文件，而不是重新计算空腔，以便更快地显示内腔表面数据。另请参见Jmol/空洞和隧道.

确认

Eric Martz感谢Deborah Spitz对本文的评论。

参考文献和注释

1. ↑^{1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15}Cai Y，Zhang J，Xiao T，Peng H，Sterling SM，Walsh RM Jr，Rawson S，Rits-Volloch S，Chen B.SARS-CoV-2棘突蛋白的不同构象状态。科学。2020年7月21日。pii:science.abd4251。doi:10.1126/science.abd4251。PMID：32694201数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1126/science.abd4251
2. ↑Fan X，Cao D，Kong L，Zhang X.SARS-CoV棘突糖蛋白融合后结构的冷冻电镜分析。国家公社。2020年7月17日；11(1):3618. doi:10.1038/s41467-020-17371-6。PMID：32681106数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1038/s41467-020-17371-6
3. ↑Walls AC、Tortorici MA、Snijder J、Xiong X、Bosch BJ、Rey FA、Veesler D。冠状病毒棘突糖蛋白的构造构象变化促进膜融合。美国国家科学院院刊2017年10月17日；114(42):11157-11162. doi：，10.1073/pnas.1708727114。Epub 2017年10月3日。PMID：29073020数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1708727114
4. ↑^{4 4.1}Hamilton BS、Whittaker GR、Daniel S.流感病毒介导的膜融合：血凝素融合活性的决定因素和评估病毒融合的实验方法。病毒。2012年7月；4(7):1144-68. doi:10.3390/v4071144。Epub 2012年7月24日。PMID：22852045数字对象标识：http://dx.doi.org/10.3390/v4071144
5. ↑^{5 5.1 5.2}Pabis A，Rawle RJ，Kasson PM。流感血凝素通过两种连续的膜内机制驱动病毒进入。美国国家科学院院刊2020年3月31日；117(13):7200-7207. doi：，10.1073/pnas.1914188117。Epub 2020年3月18日。PMID：32188780数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1914188117
6. ↑^{6 6.1}根据蔡、张的说法等（他们的图4），furin的初始切割发生在序列PRRAR*SVASQ中的Arg685和Ser686之间的*处。因此，S1为13-685（长度673，不包括12个残基信号序列），或原始链的53%，而S2为686-1273，长度588，47%。
7. ↑这个Storymorf Jmol脚本用于创建变形中显示的插值。[1]在Proteopedia上可用
8. ↑于2020年8月6日获得Gary R.Whittaker的许可。获得David Goodsell 2020年8月5日的许可。
9. ↑Wrobel AG、Benton DJ、Xu P、Roustan C、Martin SR、Rosenthal PB、Skehel JJ、Gamblin SJ、SARS-CoV-2和bat RaTG13穗糖蛋白结构为病毒进化和呋喃裂解效应提供信息。自然结构分子生物学。2020年7月9日。pii:10.1038/s41594-020-0468-7。doi：，10.1038/s41594-020-0468-7。PMID：32647346数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1038/s41594-020-0468-7
10. ↑^{10 10.1 10.2}Romeo A，Iacovelli F，Falconi M.靶向SARS-CoV-2棘突糖蛋白预融合构象：虚拟筛选和分子动力学模拟应用于潜在融合抑制剂的鉴定。病毒研究2020年6月18日；286:198068. doi:10.1016/j.virusres.2020.198068。PMID：32565126数字对象标识：http://dx.doi.org/10.1016/j.virusres.2020.198068
11. ↑这句话来自PubMedCentral版的Romeo论文，点击后许可证信息：“自2020年1月以来，爱思唯尔创建了一个新冠肺炎资源中心，免费提供新冠肺炎英文和中文信息。新冠肺炎（COVID-19）资源中心位于公司的公共新闻和信息网站Elsevier Connect上。爱思唯尔特此授予许可，允许其在新冠肺炎资源中心提供的所有与新冠肺炎相关的研究——包括本研究内容——立即在PubMed Central和其他公共资助的存储库中提供，如世界卫生组织新冠肺炎数据库，有权以任何形式或以任何方式进行不受限制的研究重复使用和分析，并确认原始来源。只要新冠肺炎资源中心保持活动状态，爱思唯尔将免费授予这些权限。"
12. ↑Proteopedia的PyMOL变形服务器在RigiMOL和线性模式下使用，所有原子或只有α-碳原子。Jmol将这些作为主干或痕迹进行渲染会产生虚线。骨干断裂的原因没有进一步调查。
13. ↑在中选择*.caJmol Java应用程序并且保存PDB文件产生了具有许多错误的PDB文件。在macOS终端中使用此命令获得了所需的结果：sed-e/REMARK/d-e/HETATM/d-e/^ATOM\\[\0-9][0-9][0-8][0-9][0-9]\\[CONS][\B-Z].*$/d<original.pdb>product.pdb.