新冠肺炎疫情是百年來(lái)全球發(fā)生的最嚴(yán)重的傳染病大流行，是新中國(guó)成立以來(lái)我國(guó)遭遇的傳播速度最快、感染范圍最廣、防控難度最大的重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件。科學(xué)家們也一直致力于揭開(kāi)它的神秘面紗：

新冠病毒為什么傳染性這么強(qiáng)？

它究竟長(zhǎng)什么樣？

人類(lèi)如何戰(zhàn)勝它？

疫情發(fā)生后，李蘭娟院士帶隊(duì)馳援武漢的同時(shí)還不忘頂層設(shè)計(jì)，指導(dǎo)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展病毒生物學(xué)研究。一方面，科研團(tuán)隊(duì)想要弄清楚新冠病毒與其他冠狀病毒及普通的流感病毒在生物結(jié)構(gòu)上是否有區(qū)別，以揭示病毒的致病機(jī)制；另一方面，研發(fā)疫苗同樣也需要病毒精細(xì)結(jié)構(gòu)解析。于是，依托傳染病診治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)先全國(guó)的病毒學(xué)研究能力與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)生物學(xué)前沿技術(shù)，雙方強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，歷時(shí)4個(gè)半月開(kāi)展科研攻關(guān)，取得重大突破。

2020年9月14日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李蘭娟院士課題組與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李賽研究員課題組緊密合作，在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《細(xì)胞》（Cell，影響因子38.637）在線(xiàn)發(fā)表題為“Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus”的研究成果，在國(guó)際上首個(gè)解析了真實(shí)新型冠狀病毒全病毒三維精細(xì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到了前所未有的分辨率，并原位揭示了刺突蛋白的天然構(gòu)象及其分布特征，以及核糖核蛋白復(fù)合物在病毒體內(nèi)的結(jié)構(gòu)及其分子組裝過(guò)程，對(duì)深入了解新冠病毒的生物特性、疫苗設(shè)計(jì)、抗病毒藥物研發(fā)等具有重要意義。

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成功揭示全球首個(gè)新冠病毒全病毒三維結(jié)構(gòu)，人類(lèi)對(duì)新冠病毒的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步

想要解析全病毒精細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)屬不易！進(jìn)行新冠病毒學(xué)研究，需要對(duì)病毒進(jìn)行有效滅活，但不恰當(dāng)?shù)臏缁罨蚣兓绞綐O易破壞其天然構(gòu)象，導(dǎo)致刺突蛋白從病毒表面脫落而變成“光禿的”病毒。如何既實(shí)現(xiàn)病毒的有效滅活又保證結(jié)構(gòu)完整性？科研團(tuán)隊(duì)使出“秘密武器”，在以往積累的病毒學(xué)研究的扎實(shí)基礎(chǔ)上，優(yōu)化病毒培養(yǎng)體系及收獲時(shí)間、篩選有效的滅活劑及固定劑、改進(jìn)病毒制樣技術(shù)和工藝程序，成功解決這一難題，獲得用于冷凍電鏡分析的高質(zhì)量的病毒樣本。

研究人員將從一名重癥患者體內(nèi)分離得到的病毒株在體外大量培養(yǎng)并有效滅活和固定后，進(jìn)行病毒超速離心純化、冷凍電鏡成像和數(shù)據(jù)采集。通過(guò)分析處理319套傾轉(zhuǎn)系列中的2294顆病毒粒子（為目前已知的關(guān)于新冠病毒最大的冷凍電鏡斷層成像數(shù)據(jù)集），獲得了病毒的精確尺寸大小與形態(tài)、表面刺突蛋白天然構(gòu)象與分布、病毒體內(nèi)核糖核蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)及組裝形式等重要信息，并重構(gòu)出一個(gè)具有代表性的病毒高清三維結(jié)構(gòu)。

全球首個(gè)揭示新冠病毒全病毒三維精細(xì)結(jié)構(gòu)及核糖核蛋白復(fù)合物的分子組裝

在此之前，國(guó)際上對(duì)新冠病毒的結(jié)構(gòu)研究大都聚焦于某一個(gè)部位或者蛋白分子，該研究在國(guó)際上首個(gè)解析了真實(shí)新型冠狀病毒全病毒的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并原位揭示S蛋白天然構(gòu)像和分布、核糖核蛋白復(fù)合物在病毒體內(nèi)的分子組裝過(guò)程等。這項(xiàng)研究所揭示的新冠病毒全病毒結(jié)構(gòu)達(dá)到了前所未有的分辨率，并闡明了該病毒如何在直徑約80納米的體腔中組裝和堆積其約30Kb長(zhǎng)的單股RNA，最終使“看不見(jiàn)的敵人”清晰地展現(xiàn)在世人面前。這對(duì)深入了解新冠病毒的生物特性、疫苗設(shè)計(jì)及中和抗體研究、抗病毒藥物研發(fā)等具有重要的意義。

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原位解析了新型冠狀病毒表面刺突蛋白的天然構(gòu)象，分析刺突蛋白的糖基化組成

冠狀病毒因其如日冕般外圍的冠狀而得名，病毒表面的這些冠狀物質(zhì)叫做刺突蛋白，是一種糖蛋白，也是我們能看到的最直觀的病毒結(jié)構(gòu)。它的作用就是感染細(xì)胞，可以說(shuō)是病毒侵入人體細(xì)胞的“鑰匙”，如果沒(méi)有了刺突蛋白，病毒也就不具有感染性了。

新冠病毒的分子結(jié)構(gòu)。SARS-CoV-2病毒體具有代表性的冷凍電鏡斷層成像照片（A）；通過(guò)構(gòu)建RBD“向下”（橙色）和1個(gè)RBD“向上”（紅色）構(gòu)象的融合前的S蛋白、脂質(zhì)包膜（灰色）和核糖核蛋白復(fù)合物RNPs（黃色）的模型來(lái)重現(xiàn)SARS-CoV-2全病毒三維結(jié)構(gòu)（B）；精確計(jì)數(shù)了每個(gè)病毒粒子的刺突蛋白和RNP的數(shù)量（C）； 揭示最具有代表性的RBD“向下”的S蛋白構(gòu)象。

研究發(fā)現(xiàn)新冠病毒的刺突蛋白具有柔性，可在病毒表面自由擺動(dòng)，類(lèi)似于“鏈錘”。這種靈活的特性有利于病毒與細(xì)胞表面受體結(jié)合而入侵細(xì)胞，可能也與病毒強(qiáng)感染性有關(guān)。

可能新冠病毒也意識(shí)到自己已成為全人類(lèi)的健康公敵，科研人員發(fā)現(xiàn)，它的刺突蛋白的朝向也很有趣，懂得“自我保護(hù)”。如果把刺突蛋白比喻成一把傘，雨傘張開(kāi)被稱(chēng)為“向上”，雨傘關(guān)閉被稱(chēng)為“向下”。當(dāng)刺突蛋白向上時(shí)，它就像亮出了自己的武器一樣，瘋狂感染人體健康細(xì)胞。此時(shí)，如果人體細(xì)胞不幸被刺中，那么就面臨感染的風(fēng)險(xiǎn)。而當(dāng)刺突蛋白向下，它就像收起兵器，以免被機(jī)體識(shí)別擊潰。研究發(fā)現(xiàn)，新冠病毒的刺突蛋白97%都是向下的，這也就成為它不易被藥物和理化因素破壞的原因之一。

科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)質(zhì)譜分析刺突蛋白的糖基化組成，發(fā)現(xiàn)體外重組表達(dá)的刺突蛋白與病毒原位狀態(tài)刺突蛋白的糖基化修飾具有相似性，這對(duì)滅活病毒疫苗、基因工程重組疫苗以及中和抗體的研發(fā)等具有重要指導(dǎo)意義。

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揭示新冠病毒核糖核蛋白復(fù)合物RNPs的天然結(jié)構(gòu)和組裝機(jī)制，發(fā)現(xiàn)病毒強(qiáng)抵抗力的秘密所在

除了刺突蛋白，新冠病毒的核心——核糖核蛋白復(fù)合物，在該研究中也取得了重要進(jìn)展。核糖核蛋白復(fù)合物是病毒核酸與蛋白的結(jié)合體，病毒所有的遺傳信息都儲(chǔ)存在里面，可以調(diào)控病毒各種蛋白的表達(dá)及生物特性，可謂是“病毒的靈魂”。

早前的研究發(fā)現(xiàn)新冠病毒的核糖核酸長(zhǎng)度是同類(lèi)病毒中最長(zhǎng)的，達(dá)到病毒自身直徑的100倍。那么病毒是如何將達(dá)到自身長(zhǎng)度100倍的核糖核酸不糾纏、不打結(jié)、不斷裂、完好無(wú)損地裝進(jìn)自己體內(nèi)，一直是個(gè)未解之謎。現(xiàn)在終于有了答案。原來(lái)，這些復(fù)合物像串珠一樣把核糖核酸組織在一起，并在病毒體腔內(nèi)有序排列，這不僅解決了在有限空間內(nèi)收納超過(guò)自身容量核糖核酸的難題，還加固了病毒本身結(jié)構(gòu)，使它能夠經(jīng)受住人體外復(fù)雜環(huán)境中的各種理化因素破壞的挑戰(zhàn)，這也可以用來(lái)解釋新冠病毒長(zhǎng)期在外環(huán)境存活的一個(gè)重要因素。

核糖核蛋白復(fù)合物RNPs的天然結(jié)構(gòu)及其組裝機(jī)制。顯示RNP的兩種不同類(lèi)型的超微結(jié)構(gòu)：六聚體（橙色框）和四聚體（紅色框）；七個(gè)RNP被包裹在病毒包膜內(nèi)（灰色），形成“巢中蛋”形的六聚體組件，四個(gè)RNP被包裝成無(wú)膜的四聚體組件（下）；RNP六聚體組裝成球形病毒，四聚體組裝成橢球型病毒。

該論文的第一作者是姚航平（浙江大學(xué)）、宋雨桐（清華大學(xué)）、陳勇（清華大學(xué)）、吳南屏（浙江大學(xué)）、徐家璐（清華大學(xué)），通訊作者為李蘭娟院士（浙江大學(xué)）和李賽研究員（清華大學(xué)）。

（原題為：《“看不見(jiàn)的敵人”長(zhǎng)這樣！浙江大學(xué)李蘭娟院士團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)李賽研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合， 重磅揭示新冠病毒全病毒精細(xì)結(jié)構(gòu)》）