囊膜病毒|结构生物学家之痛：艾滋、新冠等囊膜病毒罪犯，为何长相如此不同( 二 )
从1981年美国确认了首例艾滋病感染者到2018年，全球已有3200万人死于艾滋病 。人类对于HIV病毒的基础研究从未止步，针对HIV病毒结构的认识也在越来越精细，但目前针对HIV病毒的有效疫苗仍然缺乏 。HIV由外囊膜及其包围的含病毒基因组的核衣壳组成 。2008年刘骏等人利用冷冻电镜断层成像法揭示了HIV的糖蛋白在病毒表面的原位结构及其与抗体的复合物结构 [16]，2013年章佩君团队揭示了成熟HIV圆锥形衣壳上的衣壳蛋白CA排列成六聚体和五聚体的精细结构 [17] 。
在非洲地区频繁爆发的拉沙病毒（LASV, 沙粒病毒科），属于生物安全四级（BSL-4）的急性出血热病毒，致死率可达20% 。2016年，我和同事就对灭活的拉沙病毒进行了病毒及其糖蛋白的首次三维重构，揭示了糖蛋白14?分辨率的原位结构，并通过构建病毒样颗粒（VLP）揭示了拉沙病毒糖蛋白在酸性环境下的构象变化过程，与细胞内受体LAMP1的复合物结构，并从结构上解释了为何糖蛋白只有在低pH下才会与LAMP1结合 [18] 。2017年，Scripps 研究所 Erica Sapphire 研究员从非洲疫情爆发区拉沙热生还者血液中获得中和性抗体，并解出糖蛋白胞外区三聚体与抗体复合物的晶体结构，验证了我的研究中早期电镜结构的真实性 [19] 。
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第三类囊膜病毒：具有I型膜融合蛋白，糖蛋白随机分布，有基质蛋白 图源：[6,18]
今年肆虐全球的新冠病毒，由我们清华大学团队使用 cryo-ET，将浙江大学李兰娟团队提供的灭活病毒解析至最高7.8?分辨率，并重构出一颗有代表性的新冠病毒全病毒分子结构 [1] 。我们不仅展示了病毒表面刺突蛋白（spike）的结构、分布及其糖基化组分，还挺进 “深核”，解析出病毒腔内的核糖核蛋白（RNP）的结构与排列规律，为其超长基因组在病毒体内的分布提供了高分辨率信息，绘制了独一无二的新冠病毒全身 “通缉照” 。
2020年8月至9月间，《细胞》（Cell）、《科学》（Science）、《自然》（Nature）分别报道了我们团队 [1]、德国马克思·普朗克生物物理所 Martin Beck 团队 [2]、以及英国剑桥 MRC-LMB 的 John Briggs 团队[3] 三篇分别利用冷冻电镜断层成像技术解析新冠病毒原位结构的研究论文 。
冠状病毒本身非常有特点，拥有多个囊膜病毒之最：已知最大的糖蛋白（三聚体分子量超过600kD），RNA病毒中最长的RNA（30kb） 。我们的工作发现，新冠病毒糖蛋白拷贝数稀少（~30个）；在囊膜表面拥有极大的自由，可绕茎部旋转甚至可在囊膜上游走；非常脆弱，部分亚基甚至整根糖蛋白会发生脱落 。通过对来自天然S蛋白的N-聚糖组成进行质谱分析，发现虽然天然聚糖较为复杂，但整体而言与重组糖蛋白聚糖的加工状态高度相似 。
冠状病毒RNA直线长度可达病毒自身直径的100倍 。把这根核酸“长绳”完整有序地缠绕进仅有约80nm直径的腔体内的重任主要落在核蛋白上 。它需要像线轴一样收纳RNA，将其有序缠绕，并组装成称为核糖核蛋白复合物（RNP）的高级结构，才能将RNA完整塞进体内 。在病毒发生膜融合及去组装后，它又能有条不紊的与RNA解绑，让它顺利进行复制 。这个包装方法及过程，不仅对于新冠病毒是个未解之谜，甚至在所有正义单链RNA病毒中也是几何谜题 。
我们团队对病毒内近20,000颗RNP进行了挑选和分析，得到了病毒腔内13?分辨率的RNP结构密度图，并开创性地展示了RNP在病毒腔内的组装机制 。成像显示，该复合物像串珠一样将RNA组织在一起，并在病毒体内呈现六聚 “鸟巢” 型和正四面体 “金字塔” 型两种局部排列，有序地收纳了RNA这根 “长绳”，还增加了病毒在复杂环境中经受物理挑战的能力 。这可能是世界范围内首次 “看清” 正义单链RNA病毒的内部结构 。
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