文摘
最近,一种新的冠状病毒(2019 - ncov)出现了从武汉,中国,导致人类类似症状造成的严重急性呼吸系统综合症冠状病毒(冠)。自2002年冠爆发以来,广泛的结构分析揭示了关键原子水平冠峰值蛋白质受体结合域之间的相互作用(RBD)及其宿主受体血管紧张素转换酶2 (ACE2),既调节冠的跨物种和人与人之间传输。在这里,我们分析了潜在的受体使用2019 - ncov,基于丰富的冠知识和最新发布的2019 - ncov序列。首先,2019 - ncov RBD的序列,包括其受体结合主题遏制直接接触ACE2,类似于冠状,强烈建议2019 - ncov使用ACE2作为它的受体。第二,几个关键的残留在2019 - ncov遏制(特别是Gln493)提供良好的互动与人类ACE2,符合2019 - ncov感染人类细胞的能力。第三,其他几个关键残基在2019 - ncov遏制(特别是Asn501)是兼容的,但不理想,人类ACE2绑定,这表明2019 - ncov已经获得了一些人际传播的能力。最后,系统发育分析表明2019 - ncov蝙蝠的起源,2019 - ncov也可能承认ACE2的动物物种的多样性(除小鼠和大鼠),暗示这些动物物种尽可能中间宿主或2019 - ncov感染动物模型。这些分析提供洞察受体使用,细胞进入宿主细胞传染性和动物的起源2019 - ncov和可能有助于对2019 - ncov疫情监测和预防措施。
重要性武汉最近出现的冠状病毒(2019 - ncov)让世界保持警惕。2019 - ncov让人想起冠爆发在2002年到2003年。我们十年的结构研究的受体识别冠已经确定了关键的冠状突起蛋白之间的相互作用和其宿主受体血管紧张素转换酶2 (ACE2),既调节冠的跨物种和人与人之间传输。冠研究的目标之一是建立一个原子水平的迭代框架病毒受体的相互作用促进流行病监测、预测使用种特异的受体,识别潜在的动物宿主和病毒的动物模型。基于2019 - ncov突起蛋白的序列,我们运用这一预测框架提供新颖的见解受体2019 - ncov使用和可能的宿主范围。这个叠词的研究提供了一个健壮的测试框架,提供基本的、平移和社区公共卫生研究预测的见解,可能有助于研究和战斗2019 - ncov这本小说。
介绍
一种新型冠状病毒(2019 - ncov)从武汉,中国最近造成人类感染的500例确诊病例,至少17人死亡在中国(https://www.cdc.gov/coronavirus/novel -冠状病毒- 2019. - html)。也有无数的确诊病例2019 - ncov感染在其他国家包括美国。许多2019 - ncov所导致的症状,如急性呼吸系统综合症,严重急性呼吸系统综合症冠状病毒引起的类似(冠)。冠状出现在2002年至2003年,在人类中传播,造成人类感染的8000例确诊病例和800例死亡(1- - - - - -4)。短暂出现在2003年到2004年,4例确诊病例的温和的人类感染和没有人际传播(5- - - - - -7)。冠也被隔绝动物和适应实验室细胞培养(5,8- - - - - -11)。相信蝙蝠和棕榈猫冠状的天然水库和中间,分别,冠状棕榈猫身上传染给人类在动物市场在中国南部(12- - - - - -14)。据报道,2019年ncov也感染了人类在动物在武汉市场,虽然动物疫情目前未知的来源。此外,它已经确认2019 - ncov人与人之间传播的能力。
冠状病毒是单链RNA病毒包膜的大家庭,可以分为四个主要属(15)。冠和2019 - ncov属于β-genus。envelope-anchored飙升蛋白介导冠状病毒进入宿主细胞,首先绑定到主机受体,然后融合病毒和宿主细胞膜(16)。定义受体结合域(RBD)的冠飙升专门识别宿主受体血管紧张素转换酶2 (ACE2) (17,18)。不同的研究表明,主人容易感染冠主要是由病毒RBD和主机之间的亲和力ACE2在最初的病毒附件步骤(19- - - - - -23)。在约10年,我们决定一系列冠RBD包裹着ACE2的晶体结构;rbd来自冠状病毒分离出不同的主机物种在不同年份和ACE2受体orthologues来自不同的动物物种(18,24- - - - - -26)。这些结构表明,冠RBD包含一个核心结构和受体结合主题遏制,遏制结合ACE2的爪状结构的外表面(图1一个)(25)。重要的是,我们发现两个人类ACE2病毒结合热点(24,26)。大量的自然选择遏制突变发生这两种病毒结合热点附近,而这些残留在很大程度上决定冠的宿主范围(图1 b和C)。此外,我们发现特定的氨基酸在442年、472年、479年、480年和487年的位置,增强人类病毒结合ACE2和其他氨基酸在同样的位置,提高病毒结合麝猫ACE2 (图1 c)。重要的是,当所有human-ACE2-favoring残留物被融合进一个RBD, RBD结合人类ACE2与超级亲和力和相应的峰值蛋白质介导病毒进入人体细胞与超级效率(图1 c)(26)。麝ACE2与超级RBD亲和力也设计和经验证实(图1 c)(26)。这些功能的数据提供了强有力的证据我们的结构预测的准确性。这些早期的研究的长期目标是建立一个结构为改善疫情监测预测框架。更具体地说,我们的目标是预测未来的使用和宿主细胞受体传染性冠或类似非典病毒株,确定其可能的动物起源和动物模型,基于峰值蛋白质的序列和已知的原始冠RBD / ACE2复杂原子的结构。这里,基于2019 - ncov RBD的新公布的序列,我们反复的应用这一预测框架提供新颖的见解受体2019 - ncov使用和可能的宿主范围。
结果
2019 - ncov飙升发展史是根深蒂固等β-genus血统(b蝙蝠类似非典的冠状病毒图2),但是是人类祖先都冠(在2002年流行菌株分离)和使用ACE2的蝙蝠冠状病毒感染主要宿主受体进入肺细胞(11,17)。整个序列相似性2019 - ncov飙升和冠状上升(从人类分离、麝猫或蝙蝠)约76%到78%对整个蛋白质,RBD,约73%至76%,50%到53%的疟疾行动(图3和B)。相比之下,人类冠状病毒中东呼吸系统综合症冠状病毒(MERS-CoV)和蝙蝠MERS-like冠状病毒HKU4份额低峰值序列相似性,rbd或遏制(图3 c),但他们承认同一受体dipeptidyl肽酶4 (DPP4) (27,28)。因此,序列相似性2019 - ncov和冠状峰值显示它们共享相同的受体ACE2的可能性。重要的是,与冠元相比,2019 - ncov遏制不包含任何删除或插入(除了one-residue插入一个循环远离ACE2-binding地区)(图3),提供了额外的证据表明2019 - ncov使用ACE2作为它的受体。此外,在14 ACE2-contacting RBD残留物,9完全守恒和4部分保存在2019 - ncov和冠从人类,猫、蝙蝠(图3)。最后一块强有力的证据支持ACE2的受体2019 - ncov围绕着五个残留2019 - ncov遏制,经历了自然选择冠和扮演重要角色的跨物种传播冠(即。残留物,442、472、479、480和487年冠RBD) (图1 b)。下面我们详细讨论这些残留物。
首先,残留在2019 - 493 ncov RBD(对应于残留479年冠是谷氨酰胺(图1 b和D)。以前设计的冠RBD是绑定到人类ACE2(最优图1 b和C)(26)。根据这个设计RBD的结构,剩余479是病毒结合热点附近Lys31(即。,热点人类ACE2 (31)图1 c)。热点31 Lys31之间由一个盐桥,Glu35埋在一个疏水的环境。在猫冠状RBD(2002年),479是一个赖氨酸残留,对空间和静电干扰热点31。在人类冠状RBD(2002年),剩余479成为一个天冬酰胺。K479N突变消除了不利RBD-human ACE2的交互界面,提高人类病毒结合ACE2,并发挥了至关重要的作用的civet-to-human传播冠(图1 c)(24- - - - - -26)。在这里,我们构建了一个复杂的结构模型2019 - ncov RBD和人类ACE2 (图1 d)。重要的是,在2019 - ncov Gln493 RBD兼容热点31日表明2019 - ncov能够识别人类ACE2与感染人类细胞。
第二,残留在2019 - 501 ncov RBD(对应于残留487年冠是一个天冬酰胺(图1 b和D)。基于我们之前的结构分析,剩余487年冠状病毒结合热点Lys353(即附近位于。,热点在人类ACE2 (353)图1 c)(26)。热点353之间由一个盐桥Lys353 Asp38也埋在一个疏水的环境。在猫冠状RBD(2002年),剩余487是一个丝氨酸,不能提供良好的支持353年热点。在人类冠状隔离在2002年,剩余487是一个苏氨酸,加强353年热点的结构稳定性。S487T突变增加了RBD-human ACE2的良好的交互界面,提高人类病毒结合ACE2,并起着至关重要的作用在冠状的人际传播(24- - - - - -26)。人类冠状隔离在2003年,剩余487是一个丝氨酸和没有人传人冠状病毒。2019年Asn501 ncov RBD提供更多的支持比353热点Ser487但小于Thr487。这一分析表明,2019 - ncov承认人类有效ACE2低于人类冠(2002年),但比人类更有效冠(2003年)。因此,至少在考虑ACE2-RBD交互,2019 - ncov已经获得了一些人与人之间传播的能力。
第三,残留455、486和494是亮氨酸、苯丙氨酸,分别在2019 - ncov RBD和丝氨酸(对应于残留442、472和480年在冠状,分别)(图1 b来D)。基于我们之前的结构分析,这三个残留在冠RBD扮演重要角色,尽管不像残留戏剧性的479年和487年,在ACE2绑定(24- - - - - -26)。更具体地说,人类和猫Tyr442冠RBD不利的相互作用提供了热点31对人类ACE2残(这已经变异在优化Phe442 RBD);2019 - ncov Leu455 RBD为良好的交互提供了热点31日,因此加强病毒对人类ACE2绑定。Leu472非典冠状RBD的人类和猫提供了有利的支持热点31日通过疏水相互作用对人类ACE2 ACE2残渣Met82和其他几个疏水残基(这残渣已突变Phe472优化RBD);2019 - ncov Phe486 RBD提供更多支持热点31日,因此也增强病毒对人类ACE2绑定。Asp480非典冠状RBD的人类和猫提供了有利的支持热点353人类ACE2通过邻近的酪氨酸残(这仍然作为一个天冬氨酸在优化RBD);2019年Ser494 ncov RBD 353年热点仍然提供了积极的支持,但支持Asp480提供的并不是那么有利。总的来说,Leu455 Phe486, 2019 - ncov Ser494 RBD支持一种观点,即2019 - ncov承认人类ACE2与感染人类细胞。
最后,在分析了人类ACE2 2019 - ncov RBD和之间的相互作用,如何2019 - ncov RBD与假定的ACE2受体orthologues从其他动物物种?相比人类ACE2,热点31和热点353猫ACE2显著改变(图4)。具体来说,残渣31的猫ACE2成为苏氨酸,可以不再与Glu35建立盐桥;残留38的麝猫ACE2变成谷氨酸,形成一个强大的分叉与Lys353盐桥,不再需要强有力的支持从邻近的残留物。以前设计的冠RBD是麝猫ACE2适合绑定(图1 b和图4 b)(26)。在这个设计RBD, Tyr442形成氢键Thr31麝ACE2,和Arg479形成强烈的麝香ACE2与Glu35分叉盐桥。此外,在设计RBD Pro472 Thr82麝ACE2,避免不利的交互和Gly480不提供不必要的支持353年热点。此外,设计RBD, Thr487提供有限的但有用的支持热点353。在这里,我们构建了一个复杂的结构模型2019 - ncov RBD和麝ACE2 (图4摄氏度)。基于这个模型,2019 - ncov Phe486 RBD形成适度不宜与极性侧链的交互Thr82麝ACE2,和Leu455 Gln493将失去有利与麝ACE2的互动,但他们仍将与麝ACE2兼容。因此,2019 - ncov可能仍然使用猫ACE2为受体,虽然2019 - ncov RBD似乎没有进化自适应地对猫ACE2绑定。此外,2019 - ncov可能不使用鼠标或鼠ACE2作为受体,因为鼠标或鼠ACE2包含一个组氨酸在353年的位置,不适合病毒受体的相互作用以及一个赖氨酸(图3)。2019 - ncov RBD可能承认ACE2从猪、雪貂、猫、猩猩、猴子、和人类相似的效率,因为这些ACE2分子是相同或相似的关键病毒结合残留物。涉及蝙蝠ACE2情况很复杂因为蝙蝠物种的多样性(29日)。基于ACE2的序列Rhinolophus sinicus蝙蝠(可被蝙蝠冠应变Rs3367), 2019 - ncov RBD可能也认识到蝙蝠ACE2作为它的受体。总的来说,2019 - ncov可能承认ACE2 orthologues从物种的多样性,除了老鼠和老鼠ACE2(应该为2019 - ncov)可怜的受体。
讨论
原子水平的解决复杂的预测生物学病毒受体的相互作用提供了新的机遇。在这个例子中,我们使用先验知识从多个冠闪烁菌株(从不同的主机分离在不同的年)和ACE2受体(从不同的动物物种)模型预测2019 - ncov小说。我们的结构分析自信地预测,2019 - ncov使用ACE2作为其宿主受体,与其他两个新的出版物一致(30.,31日)。相比先前孤立的冠状病毒,2019 - ncov可能有效地使用人力ACE2低于人类冠(2002年),但比人类更有效冠(2003年)。因为ACE2-binding亲和力已被证明是最重要的一个决定因素冠传染性,2019 - ncov发展能够感染人类和一些能力在人类中传播。令人担忧的是,我们的数据预测,单一N501T突变(对应S487T冠的突变可能显著提高2019 - ncov RBD和人类之间的亲和力ACE2。因此,2019 - ncov进化的病人应密切关注小说突变的出现在501年的位置(在较小程度上,也在494年位置)。
2019 - ncov的来源是什么,做了一个关键的中间宿主发挥重要作用在当前2019 - ncov爆发?类似于冠,2019 - ncov最有可能源自蝙蝠,鉴于其密切的系统发育关系与其他β-genus血统b蝙蝠冠(图2)。此外,2019 - ncov可能承认ACE2的动物物种的多样性,包括棕榈猫身上,作为它的受体。在冠状的情况下,它的一些关键元残留是适应人类ACE2,虽然有些人适应麝ACE2 (26);这种类型的部分病毒适应两个宿主物种提升病毒复制和跨物种传播两个主机之间的物种。在2019 - ncov,然而,没有强有力的证据在其关键元残留适应性突变,特别是促进病毒麝ACE2绑定。因此,要么棕榈猫身上没有2019 - ncov中间宿主,或者他们通过2019 -人类ncov很快在2019年之前ncov适应麝ACE2有任何机会。如冠,2019 - ncov效率可能会复制在小鼠和大鼠,判决出来作为2019 - ncov中间宿主。此外,我们预测,2019 - ncov或实验室小鼠和大鼠前需要转基因2019 - ncov健壮的小鼠或大鼠模型将变得可用。猪、雪貂、猫和非人灵长类动物主要包含优惠2019 - ncov联系残留ACE2,因此可以作为动物模型或2019 - ncov中间宿主。值得注意的是,冠被隔离在野生棕榈果子狸在2005(武汉附近9),它的RBD已经适应麝猫ACE2(除了残留487)。因此,蝙蝠和其他野生动物在武汉附近,应该是2019 - ncov冠和筛查。
以上分析的建模是基于2019 - ncov RBD-ACE2交互,很大程度建立在一系列的冠状孤立原子水平结构不同的主机在不同年(18,24- - - - - -26)。当然还有其他的因素影响传染性和2019 - ncov发病机理,需要调查。然而,我们十年的结构性研究冠上坚定地表明受体识别冠是最重要的一个决定因素的跨物种和人际传播,这一结论已经被不同的研究证实13,14)。我们之前的长期目标之一冠结构研究是构建一个原子水平的迭代框架病毒受体的相互作用,促进了疫情监测、预测使用种特异的受体,并识别潜在的动物宿主和可能的人类疾病动物模型。这个叠词的研究提供了一个健壮的测试框架,提供基本的、平移和社区公共卫生研究预测的见解,可能有助于研究和战斗2019 - ncov这本小说。
材料和方法
结构分析。软件傻瓜用于引入突变结构模型(32)。软件PyMOL (1.5.0.4 PyMOL分子图形系统,版本,薛定谔,LLC)是用于结构的数据做准备。
系统发育分析。共识径向phylograms Geneious ' (v.2020.0.3),生成与Jukes-Cantor遗传距离模型,neighbor-joining构建方法,没有外围集团,拥有100引导程序复制。Phylograms出版呈现在Adobe Illustrator 2020 CC。
序列比对。蛋白质序列比对是使用Clustalω(33)。
确认
这项工作得到了国家卫生研究院的基金,R01AI089728 R01AI110700 F.L.和R.S.B.)。
我们感谢上海市公共卫生临床中心和公共卫生学院的中心医院的武汉,华中科技大学,武汉疾病控制和预防中心传染病预防与控制研究所中国疾病控制中心和澳大利亚悉尼大学发布2019 - ncov基因组的序列。
脚注
- 收到了2020年1月22日。
- 接受2020年1月28日。
- 接受手稿网上发布2020年1月29日。
- 版权©2020美国微生物学会。