作者奥利维亚·特兰尼，橡树岭国家实验室 当病毒S2亚单位的融合肽(紫色箭头)插入细胞膜时，新的冠状病毒膜(浅蓝色)和人细胞膜(橙色)融合在一起，S2亚单位的不同成分(紫色和绿色)折叠形成紧密的结构，如右上角所示
相比之下，如右下角所示，融合抑制剂旨在通过破坏这一过程来防止病毒感染
信用:ORNL/吉尔·海曼 导致新冠肺炎病的冠状病毒——SARS-CoV-2正在迅速感染全世界
了解这种感染在分子水平上是如何工作的，可以帮助专家找到减缓或阻止传播的方法
能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的一组科学家正在使用中子反射仪来做这件事
中子能够在生理条件下探测生物材料而不损坏它们
通过利用这些特性，研究人员可以测量病毒发生时的感染动态
他们的任务是详细观察发生在细胞膜上的感染的最初阶段
这些发现将有助于研究小组测试可能破坏这一过程的抗病毒候选药物
从这些实验中获得的数据也可以为其他专注于开发治疗和疫苗的研究提供信息
研究人员将他们的分析集中在SARS-CoV-2尖峰蛋白上，这是一种覆盖病毒表面并引发感染过程的倒钩状结构蛋白
尖峰蛋白与宿主细胞外层的受体结合，促进病毒和细胞膜的融合，使病毒进入细胞并释放其遗传物质
然后，细胞的蛋白质制造机器利用这一遗传信息制造病毒的新拷贝
当SARS-CoV-2劫持一个宿主细胞时，其尖峰蛋白分裂成两个亚单位，称为S1和S2
这两个部分对于感染都是必不可少的
S1亚单位包含一个受体结合域，识别并锁定细胞受体
细胞受体是嵌入细胞膜的蛋白质，可以结合细胞外的特定分子
这种连接会导致组件改变形状，进而导致单元内的级联变化
对于SARS-CoV-2尖峰蛋白来说，这种连接激活了S2亚单位，这有助于病毒将其膜与细胞的膜融合
因此，尖峰蛋白的功能类似于打开一扇锁着的门，S1是打开门的钥匙，S2是推开门的力量
从过去的流行病中吸取教训 SARS-CoV-2尖峰蛋白的整体结构与SARS-CoV非常相似，SARS-CoV是一种导致严重急性呼吸综合征(SARS)的早期冠状病毒，这种相似性帮助团队开发了他们的研究策略
S1亚单位是许多药物开发研究的焦点，因为这部分尖峰蛋白已被证明能在人体内引发免疫反应
然而，以前的非典冠状病毒研究发现，S1亚单位经历了高突变率，允许病毒逃避基于抗体的治疗，同时保持其感染细胞的能力
“这是我们从最初的非典疫情中吸取的教训，”ORNL博士后研究员、该项目的首席研究员范明说
潘和他的同事们正在研究S2亚基，因为尖峰蛋白的这一部分突变没有那么快
证明能成功抑制S2功能的治疗方法可能会在更长时间内保持有效
冠状病毒的纳米观 为了更好地理解病毒S2亚单位和宿主细胞膜的动力学，研究人员正在使用ORNL散裂中子源的液体反射仪
通过测量中子在穿过不同类型的物质时如何以不同的角度反射，该仪器有助于在分子尺度上阐明生物材料的结构
该小组首先合成了一种脂质膜，它模拟了排列在人类肺部表面的细胞外膜，这种病毒感染可能发生在肺部
他们确定了脂质在膜中是如何组织的，以及当膜暴露于不同的条件下，如温度、压力和酸度时，这种排列是如何变化的
在LIQREF仪器上，研究人员在一种叫做朗缪尔槽的仪器中，将脂质膜铺在一薄层水的上面
然后，他们将S2亚单位引入这些膜，详细观察S2膜和脂质膜相互作用时如何改变形状
中子也是这项研究的理想选择，因为它们对所有生物分子共有的元素氢及其同位素敏感
通过用氘原子替换一些氢原子，科学家可以在他们的样品中形成对比，并选择性地聚焦于不同的结构特征
这种技术对于研究涉及多种密度相似成分的样品非常有用，例如脂质膜
“一般来说，这些膜不是单一脂质膜，”参与这项研究的仪器科学家约翰·安科纳说
“它们由某种结构的脂质、另一种结构的脂质、胆固醇、蛋白质和与之接触的物质组成
" 为了捕捉这种复杂性，研究小组正在研究多种版本的膜，每次都改变样品与氘的对比度
ORNL的研究人员正在利用散裂中子源的中子散射来更好地理解尖峰蛋白如何帮助新冠肺炎病毒感染人类细胞，以及什么药物可以有效地阻止它们
这个研究团队包括约翰·安科纳(左)和明·潘(右)
荣誉:ORNL/吉纳维芙·马丁 安克纳说:“通过进行多次测量并将所有这些信息组合在一起，你可以创建一个单一的画面，展示这些不同的组件是如何结合在一起的。”
从这些实验中获得的信息将有助于指导团队选择和测试能够阻断这种相互作用的候选药物，例如成功阻断最初非典冠状病毒感染的融合抑制剂
如果这些抑制剂能够阻止新型冠状病毒侵入健康细胞，现有的药物就有可能被用于治疗新冠肺炎病患者
该结果也可能有助于指导新融合抑制剂的设计
捕获感染 当其他研究使用蛋白质结晶学来更好地理解冠状病毒S2亚单位的原子结构时，这个项目正在分析S2如何在与脂质膜相互作用时改变形状
在尖峰S1亚单位与细胞受体结合后，形状的改变对于诱导细胞内的作用可能是重要的
潘还指出，LIQREF仪器允许团队在生理条件下测量这些动力学，而蛋白质结晶学只允许研究人员捕捉结晶形式的S2亚单位的样子
“在ORNL，我们有合适的工具来研究生理条件下相互作用的动力学
这使我们能够更好地理解S2亚单位在潮湿环境中是如何自然移动和改变形状的
“这样的信息可以补充专家已经从结晶学中了解到的蛋白质
如果我们能帮助验证这种机制是什么样的，那么我们可能会有更清晰的理解来指导阻断融合过程的药物的开发
合作是关键 当然，对S2亚基及其特定行为的更多了解取决于培养高质量样品的能力，这包括合成S2亚基蛋白质，纯化它们，并为实验做准备
潘和安克纳指出，他们的这部分研究只有通过与ORNL各地的实验室和外部机构的合作才成为可能
田纳西州诺克斯维尔市田纳西大学医学中心的生物医学研究员斯蒂夫·福斯特在哺乳动物细胞培养物中合成了S2亚单位蛋白
通过这种方法，他可以开发S2蛋白，用于保留其天然结构和功能的几个方面的研究
“在我们的实验室中，我们通常使用哺乳动物细胞培养物来生产蛋白质，所以我们希望我们已经生产出最适合这项研究分析的S2蛋白
福斯特说:“我们距离ORNL也很近，因为样本不必走远，这意味着破坏蛋白质或扭曲其原始结构的风险更小，这对这项工作至关重要。”
合成完成后，样品由ORNL生物科学部门的鞠波Labbé和迈克尔·梅莱斯·维加拉进行纯化
ORNL中子科学理事会的科学家随后进行了一系列测试，以确认样本蛋白质的结构并检查其纯度
这项工作是由生物实验室团队的范一冲和威灵顿·莱特以及社交网站团队的雅各布·金嫩和玛丽·奥多姆实施的
“我们付出了巨大的努力来确保蛋白质在实验中具有正确的性质
如果没有，我们可能会得到虚假的结果，并误解我们正在做的事情，”休·奥尼尔说，他是ORNL结构和分子生物学中心主任，也是生物实验室小组的首席研究员
“这种病毒的成分极其脆弱，将这些材料送到中子仪器是一个巨大的挑战，”安科纳说
“这就是为什么让各种ORNL实验室和田纳西大学参与进来是如此重要
最终将样品拿到仪器上的每一步都需要很多人的专业知识
" 该项目还依赖于LIQREF仪器工作人员的努力，他们在开发运行实验和解释数据所需的系统、协议和建模框架方面发挥了重要作用
潘说:“整个部门、整个ORNL以及合作机构的专家们已经为这个项目走到了一起。”
“没有他们的支持，我们不可能做到这一点，这是完成我们使命的更大动力
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