2024年8月8日，我所崔勝/高小攀研究團隊和中國科學院物理研究所丁瑋/朱洪濤團隊合作在《Cell Discovery》在線發(fā)表了題為“Structural Basis for the Interaction between human coronavirus HKU1 Spike Receptor Binding Domain and its receptor TMPRSS2”的研究論文。

在人類冠狀病毒中，除了SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2外，還有一些相對溫和病毒，OC43、229E、NL63和HKU1，主要引起普通感冒等疾病。HKU1于2005年在香港首次發(fā)現(xiàn)，在成年人中可能僅導致普通感冒，但在兒童、老年人或免疫功能低下的患者中可能導致重癥肺炎。目前，HKU1主要包括三種病毒基因型：HKU1-A、HKU1-B和HKU1-C。多年以來，HKU1入侵宿主的蛋白質(zhì)受體一直未發(fā)現(xiàn)。2023年，法國科學家Olivier Schwartz等鑒定出TMPRSS2為HKU1病毒入侵細胞的受體。

早在2017年，崔勝和錢朝暉團隊利用晶體學技術(shù)解析了高分辨率HKU1-S1 RBD結(jié)構(gòu)，首揭示了Insertion和Receptor Binding Groove等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件，為理解S蛋白介導的HKU1入侵及受體結(jié)合奠定了重要基礎(chǔ)（Nat Commun.2017 May 23;8:15216.）

本研究在原有研究基礎(chǔ)上利用昆蟲細胞分別表達了HKU1A-RBD、HKU1B-RBD和TMPRSS2蛋白胞外區(qū)，并通過生物膜干涉技術(shù)（BLI）證明HKU1 1A-RBD、1B-RBD與TMPRSS2的親和力較高。隨后，研究人員分別解析了HKU1A-RBD、HKU1B-RBD與TMPRSS2的復合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)：HKU1 S蛋白RBD的受體結(jié)合溝(RBG)與TMPRSS2 C端胰蛋白酶樣絲氨酸肽酶(SP)結(jié)構(gòu)域活性位點附近的疏水區(qū)發(fā)生直接相互作用。二者之間的互作主要由疏水作用和鹽橋作用力介導。研究人員進而對參與RBD-TMPRSS2互作的關(guān)鍵氨基酸進行了系統(tǒng)的突變實驗。

基于實驗結(jié)果，本研究提出了一個基于糖、蛋白質(zhì)雙受體的HKU1 S蛋白與宿主細胞受體相互作用的工作模型。HKU1病毒需要糖受體和蛋白受體來實現(xiàn)S蛋白介導的細胞吸附和入侵。在沒有糖基受體的情況下，HKU1 S蛋白三聚體采取閉合構(gòu)象，所有受體結(jié)合域（RBDs）都處于向下(down)的位置。而當糖基受體（9-O-acetylated α2,8-linked sialicacid）與S1-NTD結(jié)合后，破壞了HKU1 S蛋白的閉合狀態(tài)并誘導RBD翻轉(zhuǎn)向上(up)。最后，處于向上位置的RBD為TMPRSS2的結(jié)合提供了足夠的空間，最終導致RBG和TMPRSS2 SP結(jié)構(gòu)域之間發(fā)生直接相互作用。

圖.HKU1 RBD與TMPRSS2復合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)及HKU1 S蛋白介導的入侵工作模型

這項研究揭示了HKU1 RBD與TMPRSS2相互作用精確的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，與最近發(fā)表在Cell（Cell.2024 Jun 21:S0092-8674(24)00656-1.；Cell.2024 Jun 26:S0092-8674(24)00646-9.；Cell.2024 Jun 21:S0092-8674(24)00647-0.）和Cell Res（Cell Res.2024 Jul;34(7):526-529.）等期刊的HKU1-TMPRSS2相關(guān)研究成果一致。本論文對于理解HKU1的入侵機制和基于S蛋白的疫苗和抗病毒藥物設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

本研究工作得到國家重點研發(fā)計劃（2023YFC2307800）、中國醫(yī)學科學院醫(yī)學與健康科技創(chuàng)新工程（2022-I2M-1-021）、國家自然科學基金（82341095, 82072291, 82272308）、國家自然科學基金委員會與香港研究資助局聯(lián)合科研資助基金（82261160398, N_HKU767/22）等項目的資助。中國醫(yī)學科學院病原生物學研究所崔勝研究員，高小攀研究員和中國科學院物理研究所丁瑋高級工程師，朱洪濤研究員為論文共同通訊作者。中國醫(yī)學科學院病原生物學研究所高小攀研究員、博士后朱凱祥和中國科學院物理研究所博士后王琳為論文共同第一作者。