医学前沿：COVID-19 如何对人类肺部造成严重破坏

2021 年 6 月 8 日

由 布鲁克海文国家实验室

梅编译  永远不要停止雕刻自己的雕像

COVID-19 病毒包膜蛋白（洋红色）及其与特定氨基酸相互作用的特写，这些氨基酸在 PALS1（蓝色、绿色和橙色）上形成疏水囊。图片来源：布鲁克海文国家实验室

美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的科学家们发表了第一个详细的 SARS-CoV-2“包膜”蛋白的原子级模型，该蛋白与维持肺内壁所必需的人类蛋白质结合。该模型展示了这两种蛋白质如何相互作用，刚刚发表在《自然通讯》杂志上，有助于解释病毒如何造成广泛的肺损伤并逃离肺部感染特别脆弱的 COVID-19 患者的其他器官。这些发现可能会加速寻找药物来阻止这种疾病最严重的影响。

“通过获得蛋白质相互作用的原子级细节，我们可以解释为什么会发生损伤，并寻找可以特异性阻断这些相互作用的抑制剂，”研究主要作者、布鲁克海文实验室的结构生物学家刘群说。“如果我们能找到抑制剂，那么病毒就不会造成几乎相同的损害。这可能会让健康受损的人的免疫系统有更好的机会成功对抗病毒。”

科学家们使用布鲁克海文实验室生物分子结构实验室 (LBMS) 的一台新型低温电子显微镜发现了细节并开发了分子模型，这是一个由纽约州资助建造的新研究设施，毗邻布鲁克海文国家同步加速器光源 II (NSLS) -II)。

“布鲁克海文实验室 于去年夏天提前开放，因为它在对抗 COVID-19 的战斗中很重要，” 布鲁克海文实验室主任、该论文的合著者 Sean McSweeney 说。“布鲁克海文实验室 和 NSLS-II 提供互补的蛋白质成像技术，两者都在破译 COVID-19 中涉及的蛋白质细节方面发挥着重要作用。这是根据新设施的结果发表的第一篇论文。”

布鲁克海文实验室 科学运营总监、该论文的另一位合著者 王立国解释说：“低温电子显微镜 (cryo-EM) 对于研究膜蛋白和动态蛋白质复合物特别有用，这些复合物对于蛋白质晶体学来说很难结晶，这是另一个研究蛋白质结构的常用技术。通过这种技术，我们创建了一张 3D 地图，从中我们可以看到单个蛋白质成分是如何组合在一起。”

“如果没有低温电镜，我们就无法获得捕捉这些蛋白质之间动态相互作用的结构，”刘说。

触发肺部破坏

SARS-CoV-2 包膜蛋白 (E) 与现在臭名昭著的冠状病毒刺突蛋白一起出现在病毒的外膜上，有助于在受感染的细胞内组装新的病毒颗粒。在 COVID-19 大流行早期发表的研究表明，它在劫持人类蛋白质以促进病毒释放和传播方面也起着至关重要的作用。科学家们假设它通常通过与人类细胞连接蛋白结合来实现这一点，使它们远离保持肺细胞之间连接紧密的工作。

“这种相互作用可能对病毒有益，但对人类非常不利——尤其是老年 COVID-19 患者和那些有既往疾病的人，”刘说

新结构显示了 COVID-19 病毒包膜蛋白（E，洋红色棒）如何与人类细胞连接蛋白（PALS1，表面呈蓝色、绿色和橙色）相互作用。了解这种在布鲁克海文国家实验室使用低温电子显微镜解决的复杂结构，可能会导致发现阻断相互作用的药物，并可能导致 COVID-19 的最严重影响。

当肺细胞连接被破坏时，免疫细胞会试图修复损伤，释放称为细胞因子的小蛋白质。这种免疫反应会引发大规模炎症，从而导致所谓的“细胞因子风暴”和随后的急性呼吸窘迫综合征，从而使情况变得更糟。

此外，由于损伤削弱了细胞与细胞之间的连接，病毒可能更容易从肺部逃逸并通过血流感染其他器官，包括肝脏、肾脏和血管。

“在这种情况下，大多数损害将发生在携带更多病毒和产生更多 E 蛋白的患者身上，”刘说。这可能会变成一个恶性循环：更多的病毒产生更多的 E 蛋白，更多的细胞连接蛋白被拉出，造成更多的损害、更多的传播，以及更多的病毒。此外，任何现有的损伤，例如肺细胞疤痕，都可能使 COVID 患者更难从损伤中恢复。

“这就是我们想要研究这种相互作用的原因——了解 E 如何与这些人类蛋白质之一相互作用的原子级细节，以了解如何中断相互作用并减少或阻止这些严重影响，”刘说

从斑点到斑点再到映射到模型

科学家们通过将两种蛋白质混合在一起，快速冷冻样品，然后用低温电镜研究冷冻样品，获得了 E 和一种称为 PALS1 的人类肺细胞连接蛋白之间相互作用的原子级细节。电子显微镜使用高能电子与样品相互作用，其方式与常规光学显微镜使用光束的方式大致相同。但是电子由于其极短的波长（比可见光短 100,000 倍），使科学家能够在更小的尺度上看到事物。

最初的图像看起来不过是斑点。但是图像处理技术使该团队能够选择作为两种蛋白质实际复合物的斑点。

“我们使用二维平均并开始看到这些粒子之间共享的一些结构特征。我们的图像显示了来自不同方向的复合物，但分辨率相当低，”刘说。“然后我们使用布鲁克海文计算科学计划的计算工具和计算基础设施进行三维重建。这些为我们提供了一个 3-D 模型——结构的实验图。”

该图的整体分辨率为 3.65 埃（只有几个原子的大小），具有足够的关于构成这两种蛋白质的单个氨基酸的独特特征的信息，供科学家将这些氨基酸的已知结构拟合成地图。

破译与人类 PALS1 结合的 COVID-19 病毒 E 蛋白的结构：从颗粒状纳米级斑点的运动校正冷冻电镜显微照片 (a) 开始，图像处理和二维平均产生的低分辨率投影来自不同方向的结合蛋白（b）。然后计算工具将这些 2-D 图像转换为 3-D 地图 (c)。蓝色表示分辨率最高、最稳定的部分，红色表示分辨率较低的部分，灵活性更大。该图提供了足够的细节来将两种蛋白质的氨基酸构建块拟合到复合物的最终结构 (d) 中，其中 PALS1 的不同部分以蓝色、绿色和橙色显示，而病毒 E 蛋白为洋红色。图片来源：布鲁克海文国家实验室

“我们可以看到构成 PALS1 蛋白的氨基酸链如何折叠形成三个结构成分或结构域，以及构成 E 蛋白的小得多的氨基酸链如何放入其中两个之间的疏水口袋中域，”刘说。

该模型既提供了结构细节，又提供了对分子间作用力的理解，这些作用力使受感染细胞深处的 E 蛋白能够将 PALS1 从其位于细胞外边界的位置上拧下来。

“现在我们可以解释相互作用如何从人肺细胞连接处拉出 PALS1 并导致损害，”刘说。

对药物和进化的影响

“这种结构为我们的计算科学同行提供了运行对接研究和分子动力学模拟的基础，以寻找可能阻止相互作用的药物或类药物分子，”布鲁克海文实验室生物学系主任、该研究的合著者约翰山克林说。纸。“如果他们确定了有希望的线索，我们就有分析能力快速筛选此类候选药物，以确定可能对预防 COVID-19 严重后果至关重要的药物。”

了解这种蛋白质相互作用的动态还将帮助科学家追踪像 SARS-CoV-2 这样的病毒是如何进化的。

“当病毒蛋白将 PALS1 从细胞连接处拉出时，它可以帮助病毒更容易传播。这将为病毒提供选择优势。任何增加病毒存活、传播或释放的特征都可能是保留，”刘说。

病毒继续传播的时间越长，出现新的进化优势的机会就越大。

“这是我们确定和实施有前景的疗法如此重要的另一个原因，”刘说。“除了预防最严重的感染，有效治疗 COVID-19 的药物将使我们领先于这些突变。”

探索

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更多信息：自然通讯（2021）。期刊信息：自然通讯 

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