冠状病毒利用蛋白质“刺突”来抓住并感染细胞。尽管它们的名字如此，但这些尖刺并不坚硬和尖锐。它们的形状像鸡腿，肉质部分朝外，肉质部分可以在细长的茎上向各个方向倾斜。事实证明，这种倾斜能力会影响刺突感染细胞的成功程度。
现在，来自美国能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员以及另外三所大学的合作者，获得了病毒颗粒表面完整冠状病毒尖峰的高分辨率图像；发现了一个被糖分子包围的微小铰链，使穗状花序的球状“冠”在其茎上弯曲；并测量了它可以向任何方向倾斜多远。
虽然这项研究是针对 SARS-CoV-2 危险性低得多的近亲病毒（引起 COVID-19 的冠状病毒）进行的，但它对 COVID-19 也有影响，因为这两种病毒都与细胞表面的相同受体结合，从而为这项研究进行病毒学实验的 Vitalant 研究所生物学家、旧金山加州大学兼职助理教授 Jing Jin 表示。
她说，结果表明，消除尖刺的铰链可能是预防或治疗多种冠状病毒感染的好方法。
研究小组还发现，每个冠状病毒颗粒无论是其基本形状还是尖峰的显示都是独一无二的。有些是球形的，有些不是；有些身上长着尖刺，而另一些则几乎秃顶。
斯坦福大学科学家格雷格·平蒂利（Greg Pintilie）开发了病毒及其刺突的详细 3D 模型，他说：“刺突是松软的，可以四处移动，我们使用了多种工具组合来探索它们所有可能的角度和方向。” 他说，近距离观察，每个尖峰都与其他尖峰不同，主要在于其方向和倾斜程度。
研究小组在 《Nature Communications》上报告了其发现。
LAC 和斯坦福大学教授、斯坦福-SLAC 冷冻电镜设施联席主任 Wah Chiu 表示：“自疫情爆发以来，大多数研究都着眼于不附着在病毒本身上的冠状病毒刺突蛋白的结构。”进行成像的地方。“这是第一张由这种冠状病毒毒株的尖峰拍摄的图像，当时它们仍然附着在病毒颗粒上。”
这项研究源于大流行初期，当时 SLAC 的研究工作被关闭，除了旨在了解、预防和治疗 COVID-19 感染的工作。
由于实际 SARS-CoV-2 病毒的实验只能在高级 (BSL3) 生物安全实验室中进行，因此许多科学家选择研究冠状病毒家族中更良性的病毒。Chiu 和他的同事选择人类冠状病毒 NL63 作为研究对象。它可造成10% 的人类呼吸道感染，主要发生在儿童和免疫功能低下的人群中，症状包括轻微咳嗽、流鼻涕、支气管炎和哮吼等。
Chiu 说，2020 年，该团队使用低温电子显微镜 ( cryo-EM ) 和计算分析以接近原子分辨率对 NL63 尖峰的 冠部进行成像。
但由于穗状花序的茎比冠细得多，他们无法同时获得两者的清晰、高分辨率图像。
这项研究结合了从一系列实验中收集的信息，以获得更完整的情况。
首先，斯坦福大学研究生 David Chmielewski 使用低温电子断层扫描 (cryo-ET) 将从不同角度拍摄的病毒冷冻电镜图像组合成 100 多个 NL63 颗粒的高分辨率 3D 图像。
SLAC 高级科学家 Michael Schmid 将这些图像插入 3D 可视化工具，发现每个粒子的尖峰都以独特的方式弯曲。SLAC 的另一位科学家 Muyuan Chen 使用先进的图像重建来创建地图，显示穗状花序冠和茎的平均密度。
佐治亚大学的生物化学家兰斯·威尔斯 (Lance Wells) 放大其中一个刺突，使用一种称为质谱分析的技术来查明与该刺突的三个相同蛋白质中的每一个相连的 39 条糖链的特定位点化学成分。
最后，亚利桑那州立大学的计算生物物理学家 Abhishek Singharoy 和他的学生 Eric Wilson 将所有这些测量结果整合到不同弯曲角度的尖刺冠部和茎部的原子模型中，并进行了进一步的模拟，以了解多远以及如何变化。
“事实证明，无论如何，尖刺的首选弯曲角度约为 50 度，”Chiu 说，“它们在模拟中可以向任何方向倾斜最多 80 度，这与我们的冷冻 ET 实验非常匹配观察。”
弯曲发生在茎上的一个地方，就在树冠下方，那里有一簇特殊的糖分子粘附在蛋白质上，形成铰链。计算机模拟表明，这种铰链结构的变化会影响其弯曲能力，实验室实验更进一步：他们表明，铰链蛋白质部分的突变使刺突的传染性大大降低。这表明针对铰链可以提供对抗病毒的途径。
Jin 说：“研究更危险的冠状病毒（包括 MERS-CoV 和 SARS-CoV-2）的人们已经确定了一个与该区域相当的区域，并发现了针对该区域的抗体。” “这告诉我们这是一个高度保守的关键区域，这意味着它在进化过程中基本保持不变。因此，也许通过针对所有冠状病毒中的这个区域，我们可以想出一种通用疗法或疫苗。”
论文原文：
Chmielewski D, Wilson EA, Pintilie G, et al. Structural insights into the modulation of coronavirus spike tilting and infectivity by hinge glycans. Nat Commun. 2023;14(1):7175. Published 2023 Nov 7. doi:10.1038/s41467-023-42836-9
