年，新型冠状病*疫情蔓延全球，构成了对人类社会的巨大挑战。深入理解新冠病*感染、复制及免疫逃逸的机制，对于抗击新冠疫情意义重大。
新冠病*可不是一颗硬邦邦、死翘翘的小灰尘。尽管很小（新冠病*有nm大小），它有遗传物质RNA，还有好几种蛋白“包袱皮”。作为病*，它的结构相当的不简单。
年9月15日，清华大学生命学院李赛课题组与浙江大医院传染病诊治国家重点实验室李兰娟院士课题组合作，利用冷冻电镜断层成像和子断层平均重构技术成功解析了新冠病*（SARS-CoV-2）全病*三维结构。
让我们从右边最小的开始看——
新冠病*的每一段RNA都被单独包裹成一个小“毛毛虫”（包裹小毛毛虫的蛋白叫做核糖核蛋白，见右边的*色的RNP）
小“毛毛虫”蜷曲成“小球”。
一个蛋白质“鸟巢”装6个小“毛球”（右上角的剖面图）；
每4个小“鸟巢”粘在一起成为一个四面体的“小金字塔”。
一疙瘩一疙瘩的“小金字塔”像蟾蜍卵一样，被蛋白包裹成一条长长的链子（包裹长带子的蛋白叫做包膜蛋白）。
长带子盘曲着装进一个“蛋”里，“蛋皮”叫做膜蛋白。
“蛋”的外表上长着很多“细长蘑菇”，这些“细长的蘑菇”中有一种是刺突蛋白（S蛋白）（红颜色的蘑菇，下面的两个图是这个蘑菇-刺突蛋白的特写，左边是刺突蛋白来回摆动寻找细胞膜表面上的受体，右边是阴谋得逞，刺突蛋白插入细胞膜表面上的受体，正要与细胞膜融合，然后把核酸转入细胞内部）。
新冠病*最重要的几种蛋白：
核糖核蛋白——包裹病*核酸的“贴心小棉袄”
包膜蛋白——把病*颗粒包裹成一条长链子
膜蛋白——病*的外皮
刺突蛋白（S蛋白）——感染人体细胞的急先锋
这个图是个什么概念？
一个病*颗粒里面有很多段RNA。
一条新冠病*全基因组序列有接近3万个碱基。
平均直径只有nm的新冠病*，小得用肉眼看不见，它并不是像尘土一样“落”到细胞表面上的。它带着电荷，会主动吸附人的皮肤而且不易除去（带着电荷的含义，请想象一下，破碎的泡沫屑黏在手上很难去除的情景，病*也是一样。泡沫屑能看见，病*看不见。这就是为什么要勤洗手。用皂液洗手，才能清除病*。若不然，不一定什么时候，手抠鼻孔、摸眼睛就把病*送到黏膜上了。新冠病*基本是先感染口鼻咽喉等上呼吸道，然后一步步由下呼吸道最终走向肺部）。
新冠病*的感染力取决于刺突蛋白（S蛋白），也就是“蛋”皮上的“细长蘑菇”。
年1月21日清华大学生命学院李赛实验室和KAUST大学IvanViola团队及Nanographics公司合作的新冠病*高清科普影像问世！该视频展示了病*在入侵细胞的那一刻：与受体结合，并与细胞膜发生膜融合。新冠病*的最显著特征，即刺突蛋白可在病*表面像链锤一样摆来摆去。
视频也对病*体内的核酸包装模式进行建模。该视频基于发表在《细胞》杂志上的新型冠状病*原位全病*结构设计。视频已被德国《明镜》、北京电视台新闻频道等多家媒体报道。
新冠病*模拟图
冷冻电镜断层成像和子断层平均重构技术还成功还原了刺突蛋白（S蛋白）。一旦环境合适，“蛋”皮上的“细长蘑菇”能像钟摆一样左右摆动（左摆40多度，直立，再向右边摆动40多度）。
一旦找到了细胞膜上的进口（也就是“受体”）。“细长蘑菇”立即插入“受体”，插入成功后，“细长蘑菇”刺突蛋白（S蛋白）就变构（疲软了）。细胞上贴着病*的那部分细胞膜就与病*的膜融合，那些“长带子”里的病*核酸就进入细胞里面……
——看到这里，难道没有一种大个的细胞被渺小的新冠病*“奸污”的感觉！
新冠病*是个色情狂——病*“蛋”皮上有很多“细长蘑菇”，每一个“细长蘑菇”上居然有个3个“阴茎”（S蛋白亚基1，简称S1亚基）。
根据美国得克萨斯大学奥斯汀分校研究团队的解析结果，新冠病*S蛋白以三聚体形态存在，每一个单体中约有多个氨基酸，其中多个氨基酸构成了“阴茎”——“受体结合结构域”（RBD），即S蛋白与细胞膜受体ACE2相联结的地方。ACE2全称为血管紧张素转化酶2，是人体内一种参与血压调节的蛋白，在肺、心脏、肾脏和肠道广泛存在。
上述研究的含义，感染新冠病*后，不仅仅肺受伤害，血压调节、心脏、肾脏、胃肠道都受到影响——所以，现在在部分人群中开展肛拭子检查，以提高核酸检测的准确性。
“细长蘑菇”（刺突蛋白，S蛋白）中包含两种功能亚基——负责和宿主细胞受体结合的S1亚基，负责病*膜和细胞膜的融合S2亚基。
冠状病*进入易感细胞是一个复杂的过程，需要刺突蛋白的受体结合和蛋白水解过程协同作用以促进病*—细胞融合。
“细长蘑菇”（刺突蛋白，S蛋白）一旦实施“奸污”成功，它的空间构像就会发生改变（疲软）。
所以有学者说，mRNA疫苗，最好是获得构象没有改变时候的“细长蘑菇”S蛋白或S1亚基（病*的阴茎），这样制作出来的疫苗才是效果好的疫苗（让人体免疫系统看到的是“坚挺的病*阴茎”，而不是“疲软的病*阴茎”，在它还没有实施“奸污”前就给它套上“避孕套”）。
——病*复制的过程中，是以病*自己为模本，不仅复制RNA，也同时复制S蛋白。复制“小毛毛虫”、“小球”、“鸟巢”、“四面体的金字塔”等等全套的核酸和蛋白质。
灭活疫苗是将新冠病*放到饲养的活细胞里，让它在饲养的细胞里尽情“繁殖”，等到大量的新冠病*的子孙们长出来，再用把它们悉数杀灭，分离出灭活病*，制作成疫苗。这个生产过程必须在P3实验室级别的环境下进行，生产人员都要全副武装穿着防护服。疫苗的制作需要时间。
mRNA疫苗的制作，只从新冠病*身上“卸下来”个“细长蘑菇”（刺突蛋白，S蛋白），甚至只需要取下“细长蘑菇”（刺突蛋白，S蛋白）上的“病*的阴茎”（S1亚基），不需要全须全尾地复制复制病*的RNA（小毛毛虫、小球、鸟巢、四面体的金字塔等等）。所以，生产mRNA疫苗的时间比灭活疫苗要快，生产车间也不需要P3实验室级别的环境。
从理论上说，注射mRNA疫苗，疫苗中没有病*核酸，没有导致病*感染的危险。
年2月19日（北京时间），西湖大学周强实验室在世界范围内率先报道了ACE2全长蛋白的高分辨三维空间结构。
年2月21日凌晨，西湖大学周强研究团队，报道新冠病*表面S蛋白受体结合结构域与细胞表面受体ACE2全长蛋白的复合物冷冻电镜结构。ACE2全长蛋白与新冠病*S蛋白受体结合结构域的复合物结构受体分辨率2.9埃，其中S蛋白受体结合结构域部分的分辨率为3.5埃。揭开了新冠病*入侵人体细胞的途径。
蛋白质的结构在很大程度上决定了它的性质与功能，看清新冠病*S蛋白、ACE2及其相互作用的结构，相当于看清了“敌人的样子”。
计算生物学的研究人员可以在此基础上去构建不同的模型，进而展开具有针对性的研究，判断什么样的突变可能会进一步提高S蛋白与ACE2的相互作用，从而设计针对S蛋白或者ACE2蛋白的药物和抗体；又或者设计小分子破坏它们之间的相互作用。为药物设计和开发检测手段提供基础。
“细长蘑菇”（刺突蛋白，S蛋白）以三聚体的形态存在，主要包括三个S1头部亚基和一个三聚体S2亚基。其中S1亚基头部尖端含有受体结合域（RBD，也就是“病*的阴茎”），可以与人类受体—血管紧张素转化酶2（ACE2）结合。通过“病*的阴茎”（RBD）的基因重组或突变可以实现不同宿主间的传播，并导致较高的致死率。
“细长蘑菇”（刺突蛋白，S蛋白）上的另一种亚基——S2亚基更靠近病*膜，负责病*膜和宿主细胞膜的融合。
新冠病*入侵细胞时，首先“细长蘑菇”（刺突蛋白，S蛋白）上“病*的阴茎”RBD与人体细胞的表面受体ACE2结合，随后病*膜和细胞膜融合，病*被内化进入细胞，在细胞内进行转录和复制，重新组装成大量新的病*。这些病*从细胞中释放出来，又去继续感染其他细胞。
“细长蘑菇”（刺突蛋白，S蛋白）是新冠病*中和抗体的关键靶点。
研制疫苗不可能针对整个病*。打疫苗以后身体内的免疫系统能很快识别“细长蘑菇”（刺突蛋白，S蛋白）或者蘑菇上的病*阴茎，迅速激发人体产生抗体，有的抗体就像避孕套一样直接把“病*阴茎”兜头包住，让它不能和细胞膜上的受体结合，有的抗体像女用避孕套一样覆盖在细胞膜的受体上，让“病*的阴茎”不能和受体结合。这两种办法都能防止病*进入人体细胞。达到阻断病*感染人体细胞的作用。
然而，随着研究的不断深入，人们发现一个问题——
新型冠状病*通过上呼吸道感染人体后，病*沿着呼吸道逐渐向下蔓延，进而引发严重的肺部炎症。按道理讲，病*结合的受体应该在上下呼吸道和肺部细胞中广泛分布。
通过分析大规模人类单细胞测序的数据，ACE2主要在人类的肾脏及消化系统表达，但仅在约千分之一的肺细胞和千分之二的气管细胞中表达。
ACE2在呼吸系统中表达较低，难以解释新冠病*为何主要感染人体的呼吸系统。
西湖大学研究团队发现，细胞膜上的另一种受体——酪氨酸激酶（AXL），是新冠病*感染人类呼吸系统的潜在受体。
酪氨酸激酶（AXL）在包括肺I/II型上皮细胞、基底细胞、成纤维细胞、内皮细胞、平滑肌细胞及髓系细胞的几乎所有类型的呼吸系统细胞中皆有较高表达。是人体内一种负责介导PI3K等信号通路的细胞外信号向胞内的转导的蛋白，广泛参与调节细胞的生存、增殖、迁移与分化。最早发现于慢性粒细胞白血病的病人中，可能参与癌症的发生。
之前我们说过新冠病*是个“色情狂”，病*外皮上长着很多“细长蘑菇”，每个“细长蘑菇”上有3个“病*的阴茎”。不止如此，这次新发现，“细长蘑菇”刺突蛋白（S蛋白）对不同的细胞膜受体，用不同的“病*阴茎”——对酪氨酸激酶（AXL）使用的是刺突蛋白N端的NTD区域，这与西湖大学周强及合作团队之前在新冠病人中发现的拮抗刺突蛋白N端的抗体相印证。
这些年轻的团队使用研究的方法也让人大开眼界、感到惊艳。
不用每次都在实验室里培养和分离病*。
先用个带着病*要件的“假病*”进行初步试验，证实猜测。然后运用蛋白质组学、生物信息学及计算生物学方法，先筛选出22个候选受体。通过分子动力学模拟及分子力学/泊松-玻尔兹曼表面积计算，对这些候选受体与新冠病*刺突蛋白形成的复合物进行了一系列模拟计算，并最终筛选出结合强度排名前三的候选受体：AXL、EGFR和LDLR。
(计算生物学方法，节省了多少研究时间！)
此后才在生物安全防护三级实验室中进行了新冠病*的真病*感染实验——
将T细胞中的ACE2及AXL蛋白分别：双敲掉，单独敲掉AXL，加强表达……看看结果是强化了还是减弱了病*感染。实验结果表明：AXL可以独立介导新冠真病*的感染。
研究证实：在新冠病人中，AXL的表达与病*载量和病程发展高度相关。过表达AXL可以有效地促进新冠病*入侵，在人类肺上皮细胞中敲除AXL显著降低了新冠病*感染。同时，来自治疗一线的新冠患者的临床数据也表明AXL表达水平与重症感染高度相关。
年轻的研究者们（有的团队平均年龄仅28岁！）
——构建了新冠病*刺突蛋白在人类肺上皮细胞中的蛋白互作网络。
——鉴定出AXL蛋白为肺及气管上皮细胞中的潜在受体。
——使用可溶性的AXL蛋白可以有效拮抗新冠病*对于肺部细胞的感染，提示了靶向或基于AXL设计的药物可能用于未来对新冠病*感染的临床干预。
运用这些研究，还及时抓住了狡猾的新冠病*的突变。
英国、南非等地发现可以逃逸抗体或疫苗的新型变种病*，就是在刺突蛋白上的AXL结合区域附近发生了密集突变。突变病*是否可以更有效的利用AXL入侵人类呼吸系统有待进一步研究。
我们人体是非常智慧的——人体自然感染新冠病*以后，自然产生的中和抗体主要是针对包裹“毛毛虫”的核糖核蛋白，和“细长蘑菇”刺突蛋白（S蛋白）。
经历新冠病*感染而后康复的患者，体内已经对特异的病原体，也就是新冠病*产生体液免疫，康复期病人血液中通常含有高滴度的中和抗体，输注恢复期血制品的患者可因此获得被动免疫，中和特异性病原体，最终清除血液循环中的病原体。
在抗击新冠肺炎疫情的攻坚战中，康复者恢复期血浆治疗就曾立下过汗马功劳。
输注血浆有潜在的输血感染病原体的风险和不良反应，包括过敏等。恢复期血浆在分离制备的过程中，需要经过严格的病原体灭活和生物安全性检测，虽然感染风险较小，但不排除个别处于窗口期病原体检测阴性。其次，输注恢复期血浆有发生输血相关肺损伤的风险，对染病的已发生严重肺部炎症的患者会雪上加霜。所以这种方法虽然有效，但是却无法普及。
中和抗体具有治疗加预防的双重效果。比疫苗和抗病*药物都更加具有优势。相比小分子抗病*药物，中和抗体是针对新冠病*开发的疗法，具有非常高的特异性。抗体在血液中的稳定性较高，注射中和抗体可以提供被动免疫力，达到预防新冠病*感染的效果。
研制抗体药物比开发疫苗更简洁。直接研制出中和抗体（也就是“病*的避孕套”）。这样不需要人体内部免疫系统“劳动”。这些中和抗体是：
1.新冠病*重组人抗体
2.新冠病*ECD重组人抗体
3.新冠病*单克隆抗体
……
还记得本文一开始说到的，把病*RNA包裹成“毛毛虫”的核糖核蛋白吗？
不久前，清华大学药学院尹航团队报道了新冠病*核糖核蛋白（N蛋白）能够通过N端内在无规则区域和G3BP1发生液液相分离。核糖核蛋白（N蛋白）聚集为应激颗粒可能是抑制宿主免疫的关键因子。
简单说——核糖核蛋白（N蛋白）与G3BP1的相互作用也可能作为潜在药物靶点。
……
读了部分科学家在各个路线的前沿上你追我赶的科研成果，我们是不是既感到新奇、又备受鼓舞？
全世界的科学家开展的针对新冠病*感染的研究，使我们对人类遏制住新冠病*的全球大流行充满信心。
让我们看看根据冷冻电镜还原的病*感染人体的图像
放大很多倍的呼吸道细胞膜表面
来了一个不速之客
破开它的一点表皮看看
破开得大一点看看
涂上颜色看得更加清楚一些
注意下方中间部位
来个特写——病*的刺突蛋白已经与细胞膜受体结合在一起
电镜下的病*
本文原始素材来源于
清华生命学院