科学家们确切地发现了 COVID-19 如何对人类肺部造成严重破坏

新的结构显示了病毒包膜蛋白如何劫持细胞连接蛋白并促进病毒传播;这些发现可以加快药物的设计，以阻止COVID-19的严重影响。

米国能源部(DOE)的布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的科学家发布了首个SARS-CoV-2“包膜”蛋白的原子级详细模型，该蛋白与维持肺部粘膜所必需的一种人类蛋白质结合。刚刚发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的模型显示了这两种蛋白质如何相互作用，有助于解释病毒如何在特别脆弱的COVID-19患者中造成广泛的肺损伤，并逃逸肺部感染其他器官。这一发现可能会加快对阻断这种疾病最严重影响的药物的研究。

布鲁克海文实验室的结构生物学家、该研究的第一作者Qun Liu（音译：刘群）指出: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。

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，可能会发现阻断这种相互作用并可能阻断COVID-19最严重影响的药物。

科学家们发现了这些细节，并利用布鲁克海文实验室生物分子结构实验室(LBMS)的一台新型低温电子显微镜开发了分子模型。LBMS是由纽约州资助建造的一个新研究设施，毗邻布鲁克海文的国家同步加速器光源II (NSLS-II)。

LBMS主任、论文合著者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。

LBMS的科学运营主任、论文的另一位共同作者Liguo Wang（音译：王立国）解释说：低温电子显微镜(cryo-EM)对于研究膜蛋白和动态蛋白复合物特别有用，而这些在蛋白质晶体学中很难结晶，这是研究蛋白质结构的另一种常用技术。利用这项技术，我们创建了一个3D地图，从中我们可以看到单个蛋白质成分是如何组合在一起的。

Qun Liu（音译：刘群）指出：如果没有冷冻电镜，我们就无法获得捕捉这些蛋白质之间动态相互作用的结构。

触发肺部破坏

SARS-CoV-2 包膜蛋白 (E) 与现在臭名昭著的冠状病毒刺突蛋白一起出现在病毒的外膜上，有助于在受感染的细胞内组装新的病毒颗粒。在 COVID-19 大流行早期发表的研究表明，它在劫持人类蛋白质以促进病毒释放和传播方面也起着至关重要的作用。科学家们推测，它是通过与人类细胞连接蛋白结合来实现这一目的的，将这些蛋白从它们通常的保持肺细胞连接紧密的工作中拉出来。

Qun Liu（音译：刘群）认为这种相互作用可能对病毒有益，但对人类非常有害，特别是对老年COVID-19患者和那些已有疾病的人。

COVID-19 病毒包膜蛋白（洋红色）及其与特定氨基酸相互作用的特写，这些氨基酸在 PALS1（蓝色、绿色和橙色）上形成疏水袋。

当肺细胞连接被破坏时，免疫细胞会试图修复损伤，释放称为细胞因子的小蛋白质。这种免疫反应会引发大规模炎症，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，由于损伤削弱了细胞与细胞的连接，病毒可能更容易从肺部逃逸并通过血流感染其他器官，包括肝脏、肾脏和血管。

Qun Liu（音译：刘群）指出：在这种情况下，大多数损害将发生在携带更多病毒和产生更多E蛋白的患者身上，这可能会变成一个恶性循环：更多的病毒产生更多的E蛋白，更多的细胞连接蛋白被拉出，造成更多的损害、更多的传播，以及更多的病毒。此外，任何现有的损伤，例如肺细胞疤痕，都可能使 COVID 患者更难从损伤中恢复。这就是我们想要研究这种相互作用的原因——了解E如何与这些人类蛋白质之一相互作用的原子级细节，以了解如何中断相互作用并减少或阻止这些严重影响。

从斑点到地图到模型

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。

最初的图像看起来不过是一些斑点。但是图像处理技术使该团队能够选择这两种蛋白质的实际复合物。

破译与人类 PALS1 结合的 COVID-19 病毒 E 蛋白的结构：首先是运动修正的纳米级颗粒的低温电子显微镜显微图(a)，图像处理和二维平均产生的低分辨率投影来自不同方向的结合蛋白（b）。然后计算工具将这些 2-D 图像转换为 3-D 地图 (c)。蓝色表示分辨率最高、最稳定的部分，红色表示分辨率较低的部分，灵活性更大。该图提供了足够的细节来将两种蛋白质的氨基酸构建块拟合到复合物的最终结构 (d) 中，其中 PALS1 的不同部分以蓝色、绿色和橙色显示，而病毒 E 蛋白为洋红色。

Qun Liu（音译：刘群）指出：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——结构的一个实验地图。

该图的整体分辨率为 3.65 埃（只有几个原子的大小），具有足够的关于构成这两种蛋白质的单个氨基酸的独特特征的信息，供科学家将这些氨基酸的已知结构拟合成地图。

Qun Liu（音译：刘群）还表示：我们可以看到组成PALS1蛋白的氨基酸链是如何折叠成三个结构组件或结构域的，以及组成E蛋白的更小的氨基酸链是如何在两个结构域之间的疏水口袋中匹配的。

该模型提供了结构细节和分子间力的理解，这些力允许E蛋白在受感染细胞深处将PALS1从细胞外边界的位置扳开。

Qun Liu（音译：刘群）指出：现在我们可以解释这种相互作用是如何把PALS1从人类肺细胞连接处拉出来并导致损害的。

对药物和进化的影响

布鲁克海文实验室生物系主席、论文的合著者John Shanklin说：这个结构为我们的计算科学同事进行对接研究和分子动力学模拟，以寻找可能阻碍相互作用的药物或类药物分子提供了基础。如果他们发现了有希望的线索，我们就有分析能力快速筛选这些候选药物，以确定可能是预防COVID-19严重后果的关键药物。

了解这种蛋白质相互作用的动态也将有助于科学家追踪像SARS-CoV-2这样的病毒是如何进化的。

Qun Liu（音译：刘群）指出：当病毒蛋白将PALS1从细胞连接处拉出时，它可以帮助病毒更容易地传播。这将为病毒提供选择性优势。任何能增加病毒存活、传播或释放的特征都有可能被保留。病毒传播的时间越长，产生新的进化优势的机会就越大。这也是我们必须识别和实施有前途的治疗方法的另一个原因。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。