COVID-19的病毒如何掩盖自己的踪迹，避开免疫系统

新型冠状病毒之所以具有如此强的传染性和难以控制的一个方面是，它有能力战胜人体的先天免疫防御系统。一项新的研究检测了NendoU，一种负责病毒免疫逃避策略的病毒蛋白。这种关键蛋白质的结构被详细地探索，使用一种称为连续飞秒x射线晶体学的技术。

　　

   

   

图形显示了一个连续飞秒晶体学实验的基本设计。x射线爆发击中结晶样品的喷射，产生衍射图案，可以重新组合成详细的图像。    

资料来源:Michael Northrop

由SARS CoV-2病毒引起的COVID-19疫情，在造成100多万美国人死亡后，继续威胁着世界各地的人口。最近几周，迄今为止传播力最强的变种XBB.1.5已开始席卷全国。

新型冠状病毒之所以具有如此强的传染性和难以控制的一个方面是，它有能力战胜人体的先天免疫防御系统。

一项新的研究检测了NendoU，这是一种病毒蛋白，负责病毒的免疫逃避策略。这种关键蛋白质的结构被详细地探索，使用一种称为连续飞秒x射线晶体学（serial femtosecond X-ray crystallography，生物通注）的技术。

这是NendoU蛋白首次在室温下成像到2.5埃的高分辨率。由此产生的结构以前所未有的清晰度揭示了蛋白质的灵活性、动态和其他特征的潜在细节。这些结构信息在新药设计中至关重要，可能有助于推进针对SARS CoV-2的治疗方法。

“我们的研究重点是COVID-19如何利用NendoU蛋白质隐藏在免疫系统中。随着我们更好地了解NendoU的结构和机制，我们对如何设计对抗它的抗病毒药物有了更好的想法。”

这一发现为生产靶向蛋白质构象变化的药物提供了可能性，就像这项新研究中描述的那样。这种疗法将特别有吸引力，因为它们不太容易产生耐药性。

应用结构发现生物设计中心在这类结构研究方面取得了重大进展，解决了各种复杂的生物结构。该中心由Petra Fromme指导，他是这项研究的首席研究员，该研究由国家科学基金会和BioXFEL科学技术中心的RAPID拨款资助。

Fromme说:“这项工作非常令人兴奋，因为它首次表明蛋白质灵活性的差异在功能机制中起着重要作用。”“这对开发抗NendoU药物至关重要，有可能向免疫系统揭示病毒的存在，然后免疫系统可以做出反应并阻止严重感染。”

 病毒的阴谋  

病毒已经进化出复杂的策略来躲避人体的防御机制。研究指出了一些最致命的冠状病毒使用的策略，这组病原体包括导致COVID-19 (SARS CoV-2)、严重急性呼吸综合征(SARS)和中东呼吸综合征(MERS)的病原体。

这项新研究探索了NendoU蛋白是如何帮助SARS CoV-2在众目睽见的情况下躲避免疫系统的。一旦病毒与细胞表面的受体结合，它就会将其遗传物质插入细胞，导致细胞制造病毒基因组的多个副本，由DNA或冠状病毒的RNA组成。

当像SARS CoV-2这样的病毒在细胞内复制时，它们不断生长的RNA序列会在末端产生一条尾巴，称为多u尾巴。这条尾巴是RNA病毒独有的。

人体细胞配备了传感器，这些传感器经过微调，可以检测入侵的RNA病毒，因为多u尾暴露了它们作为外来入侵者的身份，使免疫系统能够针对它们。研究表明，SARS CoV-2利用其NendoU蛋白结合，然后切断poly-U尾巴。当NendoU咀嚼聚u尾部时，这导致病毒对免疫系统的可见性降低。

伪装大师  

为了阻止NendoU隐藏病毒的能力，研究人员需要蛋白质三维结构的高分辨率图像。到目前为止，NendoU蛋白的结构只能在低温条件下完成，使用一种称为冷冻电镜的技术，在这种技术中，被研究的样品被快速冷冻，并用电子显微镜或大型冷冻晶体的x射线晶体学成像。这为NendoU的确切性质提供了重要线索，但在设计出抑制NendoU并使SARS CoV-2病毒暴露于免疫靶向之前，还需要更多的信息。

为了实现这一点，研究人员需要如此详细地解析结构，以便他们知道蛋白质中每个原子的位置，理想情况下，结构将在接近室温的自然条件下确定，在室温下可以检测到动态。然而，电子或x射线的破坏是严重的，因此数据收集在大多数情况下是在低温条件下完成的，在低温条件下，所有的运动都是冻结的。为了在室温下获得这样的原子尺度分辨率，需要一个专门的x射线设备，称为XFEL (x射线自由电子激光器)。

在目前的研究中，研究人员获得了原子尺度结构路径的第一个快照。这项技术被称为序列飞秒晶体学，包括将蛋白质样品结晶成数十亿个小微晶体，然后在室温下将它们在喷射中传递给极短的强x射线光爆发，产生一系列数以万计的衍射图案，每个图案都来自一个小微晶体。

这种超短x射线脉冲仅持续数十飞秒，超过了x射线对晶体的损伤，允许在接近生理条件下的室温下收集数据。为了让人们了解这些x射线爆发的时间尺度是非常紧凑的，1飞秒等于1秒的千万亿分之一。计算机被用来组合大量的x射线快照，使研究人员能够构建蛋白质的详细3D结构，并检查其动态行为。

目前的研究是使用LCLS(线性加速器相干光源)进行的，这是美国SLAC唯一的x射线自由电子激光器，使用大分子飞秒晶体学仪器。研究人员使用飞秒x射线晶体学来解锁NendoU蛋白与底物结合时的结构。在活细胞中，这将是RNA链的多u尾，但在这项研究中，在RNA结合位点发现了一种被称为柠檬酸盐的更小分子。

“被邀请在LCLS做实验是令人兴奋的，”该研究的共同通讯作者和数据分析项目负责人Sabine Botha说。“他们刚刚关闭了很长一段时间，在大流行期间重新开业，并呼吁提出SARS-CoV-2提案。这是一个非常具有挑战性的实验，使用了全新的x射线探测器，但也非常有益。”

让NendoU成为焦点  

使用XFELs进行结构研究的优点之一是可以对生物现象进行接近自然生理状态的研究。目前的研究结果表明，NendoU蛋白的室温结构比低温结构更灵活。与之前确定的“冻结”结构相比，这可能是一种更忠实的表示。

“像之前的结构一样，我们也看到NendoU形成了一个六聚体(六个相同的NendoU蛋白质结合在一起)，”该论文的合著者、该中心的副教授Debra Hansen说。此外，研究人员发现，这种蛋白质的一半比另一半更灵活。

XFEL光揭示的结构细节表明NendoU通过两步过程起作用。首先，蛋白质的刚性部分与底物的活性位点(在这种情况下，是柠檬酸分子)结合。六聚体的柔性部分也与柠檬酸盐(或RNA)结合，但不那么紧密。一旦刚性部分完成了切割RNA链的任务，它就会释放RNA链。然后，这个刚性的一半变成柔性的，而柔性的一半切换到刚性状态，循环往复。NendoU的两种主要成分的这种剪刀状运动有助于消除细胞内病毒存在的信号，使免疫反应失效。

这些运动的XFEL快照为最终的药物设计提供了详细的地图。未来使用室温条件的结构将绘制出这些不同的运动，每一张图都将允许最准确的抗冠状病毒药物计算设计。

文章标题

Room-temperature structural studies of SARS-CoV-2 protein NendoU with an X-ray free-electron laser