新冠病毒疫情肆虐全球。所謂“知己知彼,百戰不殆”,了解病毒,能夠更好的開發抗生素、研發卡介苗,盡快攻破疾患。新型冠狀病毒才能引起嚴重的呼吸障礙和喉部發炎,導致大規模的人類死亡。
這么,新冠病毒是怎樣步入細胞的呢?
病毒步入細胞的方法
新冠病毒屬于有包膜的病毒,研究表明,有包膜的病毒通常還能通過兩種方法步入細胞,一種稱作內吞,另一種稱作膜融合。
有包膜病毒步入細胞的兩種形式:內吞和膜融合
所謂內吞細胞膜受體,即病毒借助細胞本身的內吞機制,讓細胞膜將自己包裹上去,運輸到細胞內。這是冠狀病毒步入細胞的主要方法。
所謂膜融合,即病毒的包膜與細胞膜進行融合,病毒將包裹在包膜內部的遺傳物質釋放到細胞內部。這是冠狀病毒步入細胞的另一種形式。
無論內吞還是膜融合,接觸靶細胞,是新冠病毒步入細胞的第一步。
新冠病毒的S蛋白接觸ACE2受體
新冠病毒不停地穿行在細胞膜外圍,尋覓著靶細胞的突破口。身上的皇冠閃閃發光,更像是觸覺靈敏的軍犬,尋覓著獵物頭上的蛛絲馬跡。
原先,細胞給自己設置了許多密碼,只有解開密碼,就能步入它的內部。其中一個密碼就是血管緊張素轉化酶2(-2,ACE2)受體。
但是,新冠病毒正是帶著鎖匙來的,這把鎖匙稱作S蛋白(刺突蛋白,Spike)。17年前,它的高手SARS病毒帶著S蛋白來到細胞面前,步入了細胞內部。17年后,新冠病毒攜帶著一把升級版的鎖匙,再度敲開細胞的房門。
新冠病毒這次打開的鎖,正是SARS病毒以前打開過的那一把。換句話說,新冠病毒和SARS病毒步入細胞,使用的是相同的ACE2受體。
新冠病毒和SARS病毒都屬于冠狀病毒科。它們在已知的RNA病毒中擁有最大的基因組,約30kb,才能編碼S、HE、M、N、E等多種蛋白。其中S蛋白對病毒感染細胞起決定性作用。
坐落病毒包膜上的S蛋白也叫刺突蛋白(Spike),它向外凸出,使病毒像皇冠一樣,這也是冠狀病毒命名的來源。
“咔嚓”一聲,S蛋白這把鎖匙,神奇地對上了ACE2受體的暗號。
這把鎖匙——位于冠狀病毒表面的S蛋白,包括突出到外邊的腹部S1、頸部S2和跨膜區。與細胞表面ACE2受體結合的,正是S蛋白的腹部S1。
S蛋白背部S1的甲基端與細胞膜上的ACE2受體結合在一起,產生復合體。該復合體的結構早已被解析下來,否認了新冠病毒的S蛋白還能與人的ACE2受體互相作用。
當S蛋白與ACE2受體互相結合后,ACE2受體會被激活,發生變構,產生二聚體。右圖即新冠病毒的S蛋白與細胞膜上ACE2受體相結合的復合體結構。
逆秒針旋轉90度后,再看一次這個結構。
可以發覺,新冠病毒的S蛋白像掛鉤通常細胞膜受體,牢牢的纏住了ACE2受體的胞外段。
細胞上的ACE2是血管緊張素轉化酶2,原本的作用是調節人體血脂的平衡。而在病毒到來時,卻意外地成了病毒步入細胞的受體。
在血糖平衡的調節系統中,血管緊張素II(AngII)是不得不提的重要成員。
血管緊張素II(AngII)屬于寡肽類的激素,才能造成血管收縮,下降血糖。
而ACE2(血管緊張素轉化酶2)的催化亞基坐落細胞外,還能催化血管緊張素II生成血管緊張素(1-7),增加血管緊張素II的水平,因而形成舒張血管、降低血脂的作用。
也就是說,ACE2才能幫助細胞酯化血管緊張素II,增加血糖。因而,對于高血糖病人來說,ACE2算是一種十分有益的轉化酶。
這兒須要指出的是,雖然ACE2與它的同源基因ACE(血管緊張素轉化酶)在肺臟細胞中都有抒發,而且兩者的作用卻迥然相反。
ACE下降血糖,ACE2增加血糖。
ACE才能促使血管緊張素I轉化為血管緊張素II,降低血管緊張素II的水平,因而下降血糖。常用的降血糖抗生素正是是通過抑制ACE(而不是ACE2)的作用,降低血管緊張素II的水平,因而形成降血糖的療效。
ACE和ACE2相互拮抗,兩者互相協調,共同維持血糖的平衡,是腎素-血管緊張素系統穩態維持的重要成員。
可以說,新冠病毒十分陰險,它接觸并挾持了細胞內源調節血糖的ACE2,使其成為了自己步入細胞的極佳受體。
新冠病毒結合受體的能力更強
無論是新冠病毒的S蛋白,還是SARS病毒的S蛋白,兩者都是通過結合人體細胞的ACE2受體來感染細胞。這么,誰跟ACE2受體的結合能力更強呢?
通過檢測兩種蛋白之間的平衡解離常數Kd,可以評估兩個蛋白結合能力。Kd值越大,結合能力越弱;Kd值越小,結合能力越強。
科學家分別檢測了SARS和新冠病毒的S蛋白與ACE2受體之間的平衡解離常數Kd,發覺兩者的值分別是408.7nM和94.6nM,表明新冠病毒的S蛋白與ACE2受體的結合能力比SARS病毒的S蛋白起碼強四倍以上。
為何新冠病毒比SARS病毒的S蛋白更容易結合人體的ACE2受體呢?
ACE2受體是完全相同的,不同的是病毒上的S蛋白。進一步剖析發覺,新冠病毒的S蛋白與SARS病毒的S蛋白并不完全相同,兩者有幾個多肽的差異。
正是這幾個多肽的差異,致使新冠病毒的S蛋白與細胞上ACE2受體產生了更多的互相作用,結合也更加緊密。
原先,新冠病毒領到了一把升級版的鎖匙,它的S蛋白與細胞的ACE2受體產生了更多的原子互相作用。因而,新冠病毒比自己的高手SARS病毒更容易結合人體的ACE2受體。
總結
新冠病毒步入細胞的第一步,即通過S蛋白與細胞膜上的ACE2受體結合。目前各國科學家通過研究不同的抗生素來抑制新冠病毒的感染,主要機理便是阻斷病毒步入細胞的途徑。
假如才能針對S蛋白、ACE2受體或則S蛋白與ACE2受體的互相作用,來開發抑制劑,就能否在一定程度上制止病毒步入細胞,進而醫治新冠腦炎。對新冠病毒的研究仍在緊鑼密鼓的進行之中。