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張伯禮李蘭娟齊點贊 新冠病毒完整結構圖到底多牛

http://dailynews.sina.com   2020年09月28日 12:55   中國新聞網

  張伯禮、施一公、李蘭娟齊點贊

  新冠病毒完整結構圖到底多牛

  本報記者 張佳星

新冠病毒的完整結構圖 受訪者供圖新冠病毒的完整結構圖 受訪者供圖

  “我希望大家能好好看一看。對於新冠病毒進化的思考,它確實給人很多啓迪。”9月19日,在一次學術研討會上,“人民英雄”國家榮譽稱號獲得者、中國工程院院士張伯禮展示了一張新冠病毒的完整結構圖。

  這是一張什麼圖?居然能贏得張伯禮院士爲它打CALL。不止如此,據報道,該研究還得到了中國科學院院士施一公、中國工程院院士李蘭娟的鼎力支持,並受到美國普林斯頓大學教授顏寧“不要找藉口、3天內必須寫完論文”的激將式敦促。

  9月20日,科技日報記者前往清華大學結構生物學高精尖創新中心研究員李賽研究組,試圖一探究竟。

給整個病毒做“CT” 從裏到外看得清清楚楚

  9月15日,《細胞》在線發表李賽團隊與李蘭娟院士團隊合作完成的研究論文《新冠病毒的分子結構》,他們通過冷凍電鏡斷層成像技術,把新冠病毒看了個清清楚楚。

  冷凍電鏡,結構解析,聽到這兩個關鍵詞,科技粉兒可能會覺得:已經火了好些年、還能有什麼新東西、不就是換個材料再做一次?

  然而,新科技的發展,總能讓人直呼“知識貧瘠限制了想象!”

  “我們把新冠病毒放在冷凍電鏡下,每旋轉3°拍攝一張照片,總共拍了41張,隨後進行立體重構。”李賽告訴科技日報記者,每旋轉一次都必須與上一次保持高度吻合,細微的橫向偏差都難以實現高精度。

  這種分佈拍攝的方法和醫學CT成像原理類似,不同的是前者使用電子衍射成像,而後者使用X射線衍射成像。

  俗話說“知人知面不知心”。李賽卻堅持解析病毒的“心”。團隊在病毒內部“打手電”,穿過囊膜,直擊裏層的RNA和纏繞結構,展示出迄今爲止最完整的新冠病毒形象。

分析100TB數據 繪製新冠病毒“大衆臉”

  2018年,原本在英國牛津大學工作的李賽回國到清華大學工作,組建自己的實驗室。在此之前,李賽見識、解析過更爲烈性的4級病毒,也讓多個3級病毒現出真身,包括令人聞風喪膽的沙拉病毒、裂谷熱病毒等。

  當新冠病毒襲來,李賽坐不住了。他通過施一公聯繫上正在武漢抗疫一線的李蘭娟,希望能夠獲得滅活新冠病毒以供電鏡研究。李蘭娟院士當即安排團隊與李賽對接。通過嚴格的多聚甲醛滅活,新冠病毒雖然“死了”,但還能保持活着的原貌。隨後,滅活病毒經過嚴格程序進入清華大學實驗室。

  輾轉獲得病毒毒株後,李賽和團隊的周工作時長超過120小時。4月,團隊順利採集了兩批100TB的高質量冷凍電鏡斷層圖像數據。

  千毒千面的病毒,哪些是最核心的特性呢?當研究進入計算分析階段,即用子斷層圖像平均法獲得高分辨率結構時,必須通過對病毒重構,將核心特徵彙集起來,才能繪製出新冠病毒“大衆臉”。

  2300顆病毒的三維構像中,哪些刺突蛋白最具代表性?李賽和團隊開始人工挑揀,這是一項極具“匠人”特性的工作,全憑研究人員過往對於其他病毒研究的經驗積累,5萬個病毒表面的刺突蛋白被挑選出進入下一步的蛋白分析。

  經過整體和局部的綜合分析,新冠病毒的“狡詐”本質顯露無疑——表面刺突蛋白非常少,平均不到30個,卻可以自由遊走、旋轉。

  “在人類認知範圍內,首次見識這樣的囊膜病毒。”李賽說,蛋白旋轉的特徵讓新冠病毒在攻擊細胞時,可以自由調整方位,和受體結合。“見風使舵”的特性讓它極具傳染性。

鎖定骨架蛋白 破解病毒攻擊宿主的策略

  遺傳物質決定生命體的性狀,冠狀病毒擁有目前已知所有RNA病毒中最長的RNA,其核苷酸達近3萬個,是如何做到的?李賽團隊將目光投向收納RNA的骨架蛋白。

  “這些領域之前無人研究。”李賽說,在重塑核糖核蛋白複合物(RNP)時,沒有任何可能的預期和參考。他帶着學生在2萬個核糖核蛋白中“尋寶”。“大多數需要我親自挑選,因爲我們對內部蛋白的認知實在太少了,而且在病毒體內這些蛋白‘像一串葡萄’一樣擁擠在一起,必須高精度區分,以免誤把其他蛋白的部分圈進來。”李賽說。

  新冠病毒的囊膜內蛋白羣日漸清晰,呈現出“巢中蛋”的結構。在新冠病毒的“老巢”,超長RNA緻密纏繞,蛋白爲RNA提供了超強規則感的骨架,它們貼着囊膜以六聚體的“鳥巢”方式排列,在球心位置又以正四面體的“金字塔形”排列。就這樣,新冠病毒既可將體長100倍的核酸塞進自己體內,又能迎接變幻莫測的外部挑戰。

  “核蛋白規則的排列,有助於收納超長RNA;當病毒攻擊宿主後,又能夠有序地把RNA釋放出去,不至於有所缺損。”李賽說,它們在攻擊宿主時能演變成旋轉的線軸,高速輸出並侵染新的宿主。

結構數據全球共享 有助研發更高效疫苗

  對於新冠病毒,人類知之甚少。正因爲如此,學術界對相同問題往往有不同的答案。例如,關於一種被命名爲CR3022的中和抗體對新冠病毒的抑制能力,3月,《科學》雜誌發文認爲其具有很強的中和能力;但其他團隊之後卻發現CR3022對活病毒缺乏中和效應。

  爲什麼研究結果會相互矛盾?原來前者中和試驗使用的是體外重組的病毒蛋白,而後者用的是活病毒。

  “高精度的新冠病毒完整結構圖顯示它的表面蛋白會‘變臉’:有時呈抗原暴露狀態,有時呈抗原隱藏狀態,有時還會處於與膜融合的狀態。體外重組只有模仿出它的‘變臉’才能揭示其作用規律。”李賽說。

  李賽團隊的研究還爲之前的研究做了糾偏和補充。例如,今年3月對外公佈的第一張新冠病毒的冷凍電鏡照片中,病毒的刺突蛋白幾乎全是針狀的。

  “這可能是由於對活病毒的滅活處理破壞了病毒本身的蛋白結構,使其S1亞基脫落,S2亞基發生了向與膜融合狀態的構象變化。”李賽說。

  高精度病毒完整結構圖有助於人類開發出更高效的疫苗。“現在用的滅活疫苗的滅活方法可能無法給病毒的刺突蛋白留下‘全屍’,這理論上會影響其激發中和抗體的有效性。”李賽說,這些都是可以更深入研究的工作。

  李賽團隊已將新冠病毒高清三維結構上傳至結構生物學的數據庫EMDB(Electron Microscopy Data Bank),供全球科學家免費下載,助力科普教育、科學研究、疫苗開發等工作。

【編輯:吉翔】

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