探秘 β 冠状病毒：刺突 S2 结构域 N - 糖基化的关键作用

为探究 β 冠状病毒（β-CoVs）刺突 S2 亚基 “茎 N - 糖基化” 功能，研究人员构建 31 种突变体开展研究。结果发现其影响刺突表达、ACE2 结合等过程，且在多种 β-CoVs 中功能保守。这为研发泛冠状病毒对策提供靶点。

　　新冠疫情的爆发，让冠状病毒成为全球关注的焦点。冠状病毒家族中的 β 冠状病毒（β-CoVs）会引发人类呼吸道疾病，像 2002 年的严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）、2012 年的中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV） ，还有导致 COVID-19 大流行的 SARS-CoV-2。这些病毒的刺突糖蛋白上有许多 N 和 O 连接的聚糖，以往人们认为这些聚糖主要是作为免疫盾牌帮助病毒逃避免疫系统攻击，但后来发现它们在病毒的生命周期中还有更多重要作用。特别是 SARS-CoV-2 刺突糖蛋白的 N - 聚糖，对病毒进入人体细胞起着关键作用。然而，关于刺突 S2 亚基中 “茎 N - 糖基化” 的功能，科学家们还了解得不够深入。

为了填补这一知识空白，来自美国纽约州立大学（State University of New York）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《npj Viruses》上，为我们理解 β 冠状病毒的感染机制带来了新的突破。

研究人员采用了多种关键技术方法。在分子生物学方面，构建了 31 种缺少不同组合 “茎 N - 糖基化” 的 SARS-CoV-2 刺突突变体；利用病毒样颗粒（VLPs）和单周期病毒复制子系统，模拟真实病毒感染过程；运用蛋白质免疫印迹（Western blot）、流式细胞术（Flow cytometry）、成像细胞术（Imaging cytometry）等技术，检测蛋白表达、细胞表面分子结合以及蛋白定位等情况。

研究结果

1. 茎 N - 糖基化对刺突细胞表面表达和 ACE2-Fc 功能结合至关重要：研究人员通过构建 Asn-to-Gln（N-to-Q）突变体，发现茎 N - 糖基化突变会降低 S1 结构域在细胞表面的呈现以及 ACE2-Fc 与细胞的结合能力。单突变（如 G1，即 N1098Q 突变）或包含 G1 的组合突变效果尤为明显。进一步研究发现，部分突变会导致刺突蛋白表达减少，且单茎 N - 糖基化突变可能促进 S1 从刺突上解离（即 “脱落”），而多个突变则可能影响蛋白稳定性，减少细胞表面刺突蛋白的表达。同时，糖基化位点突变对细胞内刺突空间分布的影响相对较小。
2. S2 茎 N - 糖基化对细胞 - 细胞融合形成合胞体至关重要：病毒诱导的细胞 - 细胞融合形成合胞体，在病毒传播和疾病发病机制中起着重要作用。研究人员通过共培养实验发现，缺失 N1098 聚糖可使合胞体面积在混合 16 小时后减少超过 90%，更多的 N - 糖基化突变会进一步减少合胞体形成，在 G12345 突变体中合胞体形成完全被抑制。这表明茎 N - 糖基化在调节细胞 - 细胞融合方面有重要作用。
3. 茎 N - 糖基化对 SARS-CoV-2 病毒样颗粒（VLPs）感染至关重要：研究人员开发了 “2 质粒” SARS-CoV-2 VLPs 系统，发现多个 N - 糖基化缺失会使病毒进入细胞的能力逐渐降低，在 G1345 和 G12345 突变体中，病毒进入能力降低超过 95%。此外，茎 N - 糖基化缺失还会减少刺突蛋白整合到 VLPs 中，并增强 S1 亚基的脱落，从而降低病毒感染能力。
4. 茎 N - 糖基化对 SARS-CoV-2 ΔS - 病毒复制子颗粒（ΔS-VRPs）感染至关重要：为更好模拟真实 SARS-CoV-2 病毒，研究人员采用 ΔS-VRP 系统。实验结果显示，携带突变刺突的 ΔS-VRP 感染能力下降，G12345 突变体的病毒进入能力损失超过 90%。这再次证实了茎 N - 糖基化在调节病毒进入方面的关键作用。
5. 茎 N - 糖基化在人类 β 冠状病毒中是保守的功能性聚糖：通过序列比对发现，茎 N - 糖基化在人类 β 冠状病毒中高度保守。对 SARS-CoV 和 MERS-CoV 的研究表明，缺失茎 N - 糖基化会显著降低病毒感染能力。这说明茎 N - 糖基化在调节人类 β 冠状病毒感染中起着关键作用。

研究结论与讨论

研究表明，β 冠状病毒刺突 S2 结构域的茎 N - 糖基化具有多种重要功能。一方面，突变茎 N - 糖基化可能增强 S1 亚基脱落，这与刺突结合 ACE2 的能力直接相关，进而影响病毒进入细胞的能力。另一方面，多个茎糖基化位点缺失会导致刺突转运到宿主细胞表面和整合到病毒颗粒中的过程受阻，影响病毒感染。此外，茎 N - 糖基化在细胞 - 细胞融合中也有重要作用，N1098 位点的聚糖可能是细胞 - 细胞融合过程中关键的结构组成部分。

值得注意的是，茎 N - 糖基化在 SARS-CoV-2 变体中高度保守，甚至在自然选择下也是如此。而且，除了 SARS-CoV-2，茎 N - 糖基化对 SARS-CoV 和 MERS-CoV 的功能也至关重要，这表明这些碳水化合物在冠状病毒生命周期中具有进化上保守的功能。

这项研究的意义重大。它为我们深入理解 β 冠状病毒的感染机制提供了关键信息，揭示了茎 N - 糖基化作为潜在靶点的重要性，为开发泛冠状病毒对策提供了理论依据，有助于应对未来可能出现的冠状病毒感染和疾病，在生命科学和健康医学领域具有重要的应用价值。