生工技术 | 冠状病毒结构详解及侵染复制

冠状病毒结构详解及侵染复制

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冠状病毒家族

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自SARS到现在的SARS-CoV-2病毒，两种皆属于冠状病毒，那冠状病毒又属于什么呢？

冠状病毒属于套式病毒目、冠状病毒科、冠状病毒属。其具有囊膜，基因组为线性单股正链的RNA病毒，在自然界广泛存在。冠状病毒的长度可达32kb。

冠状病毒常感染哺乳动物和鸟类的上呼吸道和胃肠道，根据遗传差异可分为α、β、γ和δ冠状病毒四种，详情见下图。根据系统发育证据、基因含量和基因组特征，β-冠状病毒属可分为a、b、c和d谱系

冠状病毒是直径约120~160纳米的球形包膜颗粒，其特征性外观可以在电子显微照片（如下图所示）中观察到，由从病毒膜包膜突出的病毒尖峰蛋白引起，并在病毒离子表面周围形成冠。

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冠状病毒的结构

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冠状病毒具体结构包括磷脂双分子层，核衣壳蛋白（N蛋白）与RNA基因组，刺突蛋白（S蛋白），膜蛋白（M蛋白）和包膜蛋白（E蛋白），如下图所示。冠状病毒的大小略有不同，但平均大小约为100nm。

Spike蛋白

冠状病毒上的每一种蛋白都有着不同的结构和功能。首先先看刺突蛋白（S蛋白），如下图所示。

冠状病毒刺突蛋白（S蛋白）是病毒附着于宿主细胞受体以及病毒包膜与宿主细胞膜融合所必需的。冠状病毒刺突蛋白（S蛋白）以三聚体的形式装配，具有短的胞质尾和疏水跨膜结构域，将蛋白质锚定到膜中。S蛋白分为S1和S2两个区域，在病毒颗粒成熟和组装过程中，它们有时被细胞蛋白酶分解成不同的蛋白质。S1包含受体结合域（receptor-binding domain ，RBD），已被证明为冠状病毒提供了特异性的附着。SARS-CoV可与人血管紧张素转换酶2（ACE2）结合。

当S蛋白的S1部分与宿主细胞受体结合，蛋白质会经历巨大的构象变化，以促进与宿主细胞膜的融合。根据病毒株的不同，这种情况可能发生在细胞表面的质膜上，或者发生在受体介导的内吞作用后的酸化内质体中。构象变化的关键因素是七肽重复序列HR1和HR2，以及融合肽F。在与受体结合后，S1的离解可能触发S2的重排，使HR1和HR2形成一个反平行的六螺旋束。这种新的构象结合了病毒和宿主细胞膜，促进了脂质双层的融合和核衣壳的进入细胞质。在感染过程中，S蛋白也存在于被感染细胞的表面，它可能（取决于病毒株）促进与邻近细胞的融合和合胞体的形成。

M、E膜蛋白

膜蛋白（M蛋白）和包膜蛋白（E蛋白）是冠状病毒高效组装的关键，两种蛋白的结构如下图所示。

膜蛋白（M蛋白）是一种有三个跨膜的蛋白，是冠状病毒中含量最丰富的病毒结构蛋白。M蛋白的胞外域通常被糖基化，然后是三个跨膜域和一个内域，这对于与核衣壳蛋白相互作用和病毒基因组包装很重要。

包膜蛋白（E蛋白）在病毒中以低拷贝数存在，但对有效组装很重要。在缺乏E蛋白的情况下，很少或没有产生传染性的病毒颗粒。E蛋白在病毒颗粒组装中的确切作用尚不清楚，但最近的研究表明E可能充当离子通道。

核衣壳N蛋白

核衣壳蛋白（N）是一种RNA结合蛋白，与冠状病毒的gRNA结合形成核蛋白复合物。蛋白的结构如下图所示，N蛋白的结构域1和2富含精氨酸和赖氨酸（用+表示）。N蛋白磷酸化，主要是在丝氨酸残基，但磷酸化的作用目前尚不清楚。N蛋白具有三个保守结构域，每个结构域由高度可变的间隔子元件隔开。区域1和2富含精氨酸和赖氨酸残基，这是许多RNA结合蛋白的典型特征。区域3对于与M蛋白相互作用和感染性病毒颗粒的组装至关重要。N蛋白已被证明是冠状病毒 RNA合成中的重要辅助因子。

以上给大家简要的介绍了冠状病毒的结构以及其部分功能，那具体冠状病毒是如何进行复制和转录的呢？

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冠状病毒的侵染复制

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下面通过一个示意图让大家了解在宿主细胞的细胞质中冠状病毒的复制和转录，过程如下图所示。

冠状病毒通过S蛋白附着于宿主细胞受体，根据病毒株，刺突直接与质膜介导融合，或者病毒经历受体介导的内吞作用，并与内体膜发生刺突介导的融合，以释放病毒gRNA进入细胞质。

一旦正链RNA基因组被释放，它就可以作为信使RNA（mRNA），并且5'端（ORF1a和ORF1b）被核糖体翻译，以产生依赖病毒RNA的RNA聚合酶多聚蛋白，称为病毒复制酶。复制酶多蛋白由复制酶编码的蛋白酶（木瓜蛋白酶，脊髓灰质炎病毒3C蛋白酶）加工以生成16个成熟的复制酶产物。这些病毒复制酶蛋白螯合宿主细胞膜以产生独特的双膜囊泡（DMVs），在那里进行RNA合成。

然后，DMVs上的复制酶复合物介导正链RNA基因组的复制，以生成全长和亚基因组的负链RNA，并随后产生正链gRNAs和sgmRNAs。sgmRNAs被翻译以产生病毒结构蛋白和辅助蛋白，相关蛋白和正链gRNA在内质网-高尔基体中隔室（ERGIC）进行组装，随后通过出芽从细胞中释放出来。

以上为冠状病毒的结构及其功能，还有病毒在宿主细胞的细胞质中冠状病毒的复制和转录的介绍。

参考资料

[1] Coronaviruses: Molecular Biology S.C. Baker

[2] Steffen I , Simmons G . Coronaviruses[M]// eLS. John Wiley & Sons, Ltd, 2015.