新冠病毒的膜融合能力超強！

新冠肺炎在全球範圍內的大流行，證實了新冠病毒（SARS-CoV-2）的超強的傳染能力。

目前，科學家已經從分子水平和患者的臨床表現上，找到了一些解釋新冠肺炎傳染性超強的原因。例如，德克薩斯大學奧斯汀分校的研究團隊發現，血管緊張素轉化酶2（ACE2）與新冠病毒的親和力是SARS病毒的10到20倍<1>；港大團隊發現，新冠肺炎患者發病首周唾液病毒載量就飆到最高水平<2>，等等。

這並不是新冠病毒的全部手段。

今天，複旦大學基礎醫學院、上海市公共衛生臨床中心陸路和姜世勃團隊，與中科院生物物理所孫飛和朱贇團隊，以及中科院武漢病毒所石正麗團隊，在著名期刊《細胞研究》上正式發表重要研究成果<3>。

他們首次解析了新冠病毒刺突蛋白（S）膜融合核心結構域的晶體結構，發現其與SARS病毒的這個部分相比，存在幾個關鍵的氨基酸變異，這導致新冠病毒的膜融合能力遠強於SARS病毒。也就是說，與SARS相比，新冠病毒進入細胞的效率更高。

更重要的是，他們還開發了一個脂肽類藥物，可以有效阻斷新冠病毒等引起的膜融合，這種藥物甚至可以采用鼻腔給藥的方式預防病毒感染。

▲ 論文封面

新冠病毒與它的近親們一樣，是依賴於S蛋白完成細胞的識別和入侵。S蛋白又分成S1和S2兩個亞基，其中S1的受體結合域（RBD）負責識別人細胞表面的ACE2，完成病毒與細胞的結合；隨後由S2亞基負責完成病毒包膜與人細胞膜的融合，完成入侵過程。

我們都知道，最近關於RBD與ACE2的結合研究成果非常多，我們基本已經非常清楚它們是怎麼結合的了。但是對於新冠病毒與細胞膜的融合過程，我們還知之甚少。

實際上，與其他冠狀病毒類似，新冠病毒的S2亞基中存在兩個重要的保守重複氨基酸序列：HR1和HR2。它倆會糾纏在一起，形成一個叫6-HB的螺旋結構。最近的研究表明，這個6-HB就是完成新冠病毒包膜與細胞膜融合的關鍵所在<4>。

▲ 新冠病毒（圖源：NIAID-RML）

那麼新冠病毒的6-HB與SARS等冠狀病毒的6-HB有沒有差別呢？這個膜融合過程中是不是也能找到新冠病毒感染能力強的原因呢？

這就是這個研究團隊要解決的問題。

他們第一步就研究了新冠病毒介導的膜融合能力。首先直接讓活的新冠病毒感染細胞。他們在培養的細胞中看到了很多合胞體出現。

合胞體是什麼呢？它不是荷包蛋。它是病毒感染細胞之後，那些被病毒感染了的細胞與周圍同類細胞發生融合，並形成多核巨細胞的一種現象。

為什麼會這樣呢？因為，病毒包膜在與細胞膜發生融合之後，病毒包膜表面的那些個融合蛋白就留在細胞膜表面了。這樣一來，在融合蛋白的引導下，細胞之間就發生了融合，就形成了合胞體。

▲ 病毒感染介導形成的合胞體（圖源：viralzone.expasy.org）

為了進一步探索新冠病毒S蛋白介導的膜融合特征。研究人員幹脆把新冠病毒的S蛋白克隆出來，然後整合到了一個細胞株系裏面。也就是說，這個攜帶S蛋白的細胞，就具備了新冠病毒的膜融合能力。如此一來，一個細胞-細胞融合系統就構建好了。

將表達S蛋白的細胞和表達ACE2的細胞在合適的條件下培育一段時間之後，研究人員就發現，如果S蛋白是新冠病毒的，就會出現合胞體；如果S蛋白是SARS病毒的，就沒有合胞體；沒有S蛋白或者ACE2，也不會形成合胞體。

顯然，與SARS病毒相比，新冠病毒介導的膜融合能力要更強，進入細胞的效率也會更高。而且S蛋白和ACE2是新冠病毒融合和進入病毒所必需的。

那新冠病毒的膜融合能力為什麼比SARS強呢？

將二者S2亞基的HR1和HR2的氨基酸序列做一番比較之後發現，二者的HR1同源性是92.6%，HR2的同源性是100%。具體來說，二者的HR1有8個氨基酸不同，這個不同有可能會增強新冠病毒的HR1和HR2之間的相互作用，並穩定6-HB的空間結構。

於此同時，研究人員分析了6-HB的X射線晶體結構，從結構上分析了HR1氨基酸差異對6-HB的影響。具體的分析過程我們這裏就不再贅述了，需要知道細節的朋友自行點擊文末「閱讀原文」。

總的來看呢，新冠病毒HR1中出現的8個氨基酸替換，可以增強HR1和HR2結構域之間的相互作用，以進一步穩定6-HB結構，這也確實有可能會導致新冠病毒的感染能力增強。

▲ 新冠病毒與SARS病毒HR1和HR2的區別，以及複合體的差異

既然S蛋白的融合技能也是新冠病毒感染能力強的關鍵，那把它作為藥物開發的靶點也就理所當然了。

實際上，之前陸路和姜世勃團隊已經研發了一個可以抑制人冠狀病毒膜融合的多肽藥物EK1<5>，而且也初步證實EK1對於新冠病毒介導的膜融合有一定的抑制作用<4>。

不過現在看來，問題沒那麼簡單，新冠病毒的膜融合蛋白很「硬氣」，EK1也得升級。

好在之前已經有研究表明，脂化策略可以有效提高融合抑制肽的抗病毒活性<6，7>。既然如此，那就給EK1加點兒「油」。

研究人員利用聚乙二醇（PEG）將膽固醇（Chol）或棕櫚酸（Palm）結合到EK1的C端，隨後開始不斷的優化，最終得到了一個連著膽固醇的EK1C4。

這個脂肽EK1C4的效果有多強大呢？作為新冠病毒感染細胞的膜融合抑制劑，EK1C4的IC50為36.5nM，比EK1高了67倍，真是厲害了。不僅如此，EK1C4對其他人冠狀病毒也具有廣譜性效果。

在研究的最後，研究人員考慮到了一個非常重要的問題：新冠病毒是通過呼吸道感染在人群中傳播的。那這個EK1C4有沒有可能阻斷這一過程，進而實現預防感染呢？

由於沒有適合新冠病毒感染的模式小鼠，研究人員用另一種人冠狀病毒HCoV-OC43做了相關的研究。

他們用HCoV-OC43感染小鼠，然後通過鼻內給藥途徑，探討EK1C4的潛在預防冠狀病毒感染的可能性。

首先是在用HCoV-OC43感染小鼠之前的0.5小時、2小時、4小時、12小時和24小時鼻內給藥。感染的4天之後，對照組小鼠全部死亡，而前面幾個不同時間點給藥的小鼠存活率分別為100%、100%、100%、83%和0%。這表明，EK1C4對HCoV-OC43感染有預防作用。

隨後又做了HCoV-OC43感染後0.5小時和2小時鼻內給藥的研究，兩組的存活率分別為100%和16.7%。這表明EK1C4在HCoV-OC43感染後盡快給藥，有良好的治療效果。

出現這個現象可能是HCoV-OC43可以快速感染小鼠大腦，但是EK1C4鼻腔給藥無法通過血腦屏障所致。由於新冠病毒主要感染肺，所以預測EK1C4鼻腔給藥對於新冠病毒感染具有良好的預防和治療效果。

▲ 近100年出現的高致病性病毒

在論文的最後，研究人員總結EK1C4與目前非特異性抗病毒藥物相比的優勢。

第一，EK1C4靶向的HR1是高度保守的序列，他們分析了最近公布的103個新冠病毒基因組<8>，它們的HR1和HR2的同源性都是100%。因此新冠病毒不易對EK1C4產生耐藥性。

第二，EK1C4或能通過鼻內給藥的形式預防冠狀病毒感染。因此，與感染患者或高危人群密切接觸的人員攜帶就很方便。

第三，患者吸入EK1C4，或能減輕其肺部的病毒載量，從而減輕由病毒感染引起的急性肺損傷，並減少將病毒傳播給緊密接觸者的機會。

第四，由於EK1C4是局部給藥，相對較安全，並且肽類藥物通常比化學藥物更安全。

第五，EK1C4具有廣譜抗冠狀病毒活性，因此不僅有可能用於治療和預防新冠病毒感染，還可用於其他的人冠狀病毒感染。

不得不說，這項研究成果確實是非常吸引人。在不知道新冠肺炎走向的2020年，我們非常期待研究團隊開展相關臨床研究，並獲得陽性研究成果。

加油。