科学家们发现Covid-19如何对人类肺部造成严重破坏

艺术家渲染肺病

新结构显示病毒包膜蛋白如何劫持细胞结蛋白并促进病毒扩散;调查结果可以加速药物的设计来阻止严重影响新冠肺炎

美国能源部(DOE)布鲁克海汶国家实验室的科学家刊登了第一个详细的原子级模型SARS-CoV-2“包膜”蛋白,与维持肺粘膜所必需的人类蛋白质结合。该模型展示了这两种蛋白质如何相互作用,刚刚发表在杂志上自然通讯,帮助解释病毒如何造成广泛的肺部损伤,并逃离肺部以感染尤其是脆弱的Covid-19患者的其他器官。调查结果可以加快寻找药物以阻止疾病最严重的影响。

布鲁克海文实验室的结构生物学家、该研究的第一作者刘群说:“通过获取蛋白质相互作用的原子级细节,我们可以解释为什么会发生损害,并寻找能够特别阻断这些相互作用的抑制剂。”“如果我们能找到抑制剂,那么病毒就不会造成那么大的损害。这可能会让健康受损的人有更好的机会让他们的免疫系统成功对抗病毒。”

COVID-19病毒包膜蛋白

新结构显示了COVID-19病毒包膜蛋白(E,洋红棒)如何与人类细胞连接蛋白(PALS1,表面颜色为蓝色、绿色和橙色)相互作用。通过布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的低温电子显微镜,了解了这种复杂的结构,可能会发现阻断COVID-19相互作用的药物,并可能产生COVID-19最严重的影响。资料来源:布鲁克海文国家实验室

Scientists discovered the details and developed the molecular model using one of the new cryo-electron microscopes at Brookhaven Lab’s Laboratory for BioMolecular Structure (LBMS), a new research facility built with funding from New York State adjacent to Brookhaven’s National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).

LBMS主任、论文合著者肖恩·麦斯威尼(Sean McSweeney)表示:“由于在抗击COVID-19方面的重要性,LBMS去年夏天提前开放。”“LBMS和NSLS-II提供了互补的蛋白质成像技术,两者在破解COVID-19涉及的蛋白质细节方面都发挥着重要作用。这是基于新设施的研究结果发表的第一篇论文。”

Liguo Wang,LBMS的科学运营总监和纸上的另一个辅导队,解释说“冷冻电子显微镜(Cryo-EM)对于研究膜蛋白和动态蛋白质复合物特别有用,这可能难以结晶蛋白质晶体学,另一个蛋白质结构研究常用技术。利用这种技术,我们创建了一个三维地图,我们可以从中看到各个蛋白质成分如何合适。“

“没有冷冻,我们无法捕获这些蛋白质之间的动态相互作用的结构,”刘说。

引发肺破坏

SARS-COV-2封套蛋白(E)在病毒的外膜上发现,伴随着现在臭名昭着的冠状病毒穗蛋白有助于组装在感染细胞内的新病毒颗粒。在Covid-19大流行早期出版的研究表明,它在劫持人类蛋白质中也发挥着至关重要的作用,以促进病毒释放和传播。科学家假设它通过与人细胞结蛋白结合来实现这一点,使它们远离其通常工作,使接头保持紧密密封的肺细胞。

“这种相互作用对病毒有益,对人类非常糟糕 - 特别是老年人Covid-19患者和具有预先存在的医疗条件的患者,”刘说。

COVID-19病毒包膜蛋白

COVID-19病毒包膜蛋白(品红)及其与在PALS1上形成疏水袋的特定氨基酸的相互作用(蓝色、绿色和橙色)的特写。资料来源:布鲁克海文国家实验室

当肺细胞连接被破坏时,免疫细胞会进来试图修复损伤,释放出一种叫做细胞因子的小蛋白质。这种免疫反应会引发大量炎症,导致所谓的“细胞因子风暴”和随后的急性呼吸窘迫综合征,从而使情况变得更糟。

此外,由于损坏削弱了细胞 - 细胞连接,因此可能使病毒更容易从肺部逃脱并穿过血液传染其他器官,包括肝脏,肾脏和血管。

“在这种情况下,大多数伤害会发生更多病毒和产生更多蛋白质的患者,”刘说。这可能成为一个恶性循环:更多的病毒制备更多的蛋白质和更多的细胞结蛋白被拔出,导致更多的损坏,更多的传播和更多的病毒。此外,任何现有的损伤,如肺细胞疤痕,可能会使Covid患者恢复损坏。

“这就是为什么我们想要研究这种互动 - 了解E如何与这些人类蛋白质中的一个互动的原子级细节,以学习如何中断相互作用和减少或阻止这些严重影响,”刘说。

从斑点到Blob映射到模型

通过将两种蛋白质混合在一起,快速冷冻样本,然后用低温电子显微镜研究冷冻样本,科学家们获得了E和一种名为PALS1的人类肺细胞连接蛋白之间相互作用的原子级细节。电子显微镜使用高能电子与样品相互作用,就像普通光学显微镜使用光束一样。但由于电子的波长极短(比可见光短10万倍),科学家们可以在更小的范围内观察事物。

第一个图像看起来不像斑点一样。但是,图像处理技术允许团队选择两种蛋白质的实际复合物的斑点。

COVID-19病毒E蛋白与人类PALS1结合的结构解析

解密与人PALS1的Covid-19病毒E蛋白的结构1:从颗粒状纳米级斑点(A)的运动校正的Cryo-EM显微照片开始,图像处理和二维平均产生的低分辨率投影来自不同取向的结合蛋白(b)。然后计算工具将这些2-D图像转换为3-D映射(C)。蓝色表示最高分辨率,最稳定的部件,红色表示具有更大灵活性的较低分辨率部件。该地图提供了足够的细节以将两种蛋白质的氨基酸构建块装入复合物(d)的最终结构,其中PAL1的不同部分以蓝色,绿色和橙色显示,病毒E蛋白是洋红色。资料来源:布鲁克海文国家实验室

“我们使用二维平均,开始看到这些粒子之间共享的一些结构特征。我们的图像从不同的方向展示了这个复合体,但分辨率相当低。”“然后我们使用布鲁克海文计算科学计划的计算工具和计算基础设施来进行三维重建。这给了我们一个三维模型——一个结构的实验地图。”

这张地图的整体分辨率为3.65埃(几个原子的大小),它提供了关于个体独特特征的足够信息


Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.
" class="glossaryLink ">氨基酸这构成了科学家的两种蛋白质,以将这些氨基酸的已知结构拟合到地图中。

“我们可以看出构成PALS1蛋白的氨基酸链如何折叠形成三个结构组分或域,以及组成E蛋白的大部分氨基链中的氨基酸的较小链之间的两个结构域名,“刘说。

该模型提供了结构细节和对分子间力的理解,使得允许在感染的细胞内深入的蛋白质从其在细胞外边界处的位置扳手1。

“现在我们可以解释交互方式如何从人肺细胞交界处拉动PALS1并有助于损坏,”刘说。

对毒品和进化的影响

“This structure provides the foundation for our computational science colleagues to run docking studies and molecular dynamics simulations to search for drugs or drug-like molecules that might block the interaction,” said John Shanklin, chair of Brookhaven Lab’s Biology Department and a coauthor on the paper. “And if they identify promising leads, we have the analytical capabilities to rapidly screen through such candidate drugs to identify ones that might be key to preventing severe consequences of COVID-19.”

了解该蛋白质互动的动态也将有助于科学家追踪SARS-COV-2等病毒如何发展。

“当病毒蛋白拉出细胞交叉点的PALS1时,它可以帮助病毒更容易地蔓延。这将为病毒提供选择性优势。刘说,可能保留增加病毒存活,传播或释放的任何特征,“

病毒继续流通的时间越长,出现新进化优势的机会越多。

刘说:“这是我们确定和实施有希望的治疗方法如此重要的另一个原因。”“除了预防最严重的感染,有效治疗COVID-19的药物将使我们领先于这些突变。”

参考:2021年6月8日,自然通讯
DOI:10.1038 / s41467-021-23533-x

该研究由布鲁克海文国家实验室的Covid-19实验室指导研发(LDRD)基金资助。LBMS由DoE Science(BER)提供支持,NSLS-II是科学用户设施的DOE办事处,由科学办公室(BES)提供支持。