揭示SARS-CoV-2融合过程的结构谱系：原位冷冻电镜断层扫描研究

这篇研究通过构建近天然病毒融合系统，利用冷冻电镜断层扫描（cryo-ET）首次捕获了SARS-CoV-2刺突蛋白（S蛋白）从受体结合到膜融合的全过程动态结构中间态。研究揭示了S蛋白通过延伸、部分折叠和完全折叠中间态的级联构象变化，阐明了S2'位点蛋白酶切割对融合孔形成的关键作用，并发现S2靶向抗体WS6通过双重机制（交叉连接预融合刺突和阻断中间态重折叠）抑制病毒入侵。该成果为理解冠状病毒膜融合机制和广谱抗病毒药物设计提供了结构基础。

　　

揭示SARS-CoV-2融合过程的结构谱系

结合ACE2受体的刺突蛋白在天然膜中形成簇状复合物
研究团队开发了接近天然感染的实验系统，将具有感染性的SARS-CoV-2病毒与表达ACE2的HIV-1病毒样颗粒（ACE2_VLP）共培养。冷冻电镜断层扫描显示，ACE2二聚体可同时结合两个刺突蛋白（S蛋白），而三聚体S蛋白又能结合多个ACE2受体，导致膜界面处形成特征性的簇状复合物。这种多重相互作用使病毒膜与靶膜间距缩小至16.7±2 nm，为后续融合事件奠定基础。值得注意的是，在缺乏ACE2_VLP时，病毒表面刺突蛋白主要保持预融合构象（24±12个/病毒粒子），而高浓度ACE2_VLP可使其几乎完全消失。

捕获延伸和部分回折的融合中间态
通过高分辨率成像，研究首次观察到S蛋白经历的三阶段构象变化：

1. 延伸中间态：ACE2结合导致S1亚基脱落，S2融合肽插入靶膜，形成约20 nm的棒状结构
2. 部分回折中间态：S2开始重折叠，呈现长主干（19.5-20.5 nm）与短分支（6-7.5 nm）的"kinked"构象，此时膜间距缩小至8.3±3.8 nm
3. 紧密接触相：在胰蛋白酶处理模拟S2'切割后，膜间距进一步缩短至2.85±0.25 nm，形成由深度回折刺突蛋白围成的环状结构

S2'切割驱动完整膜融合
胰蛋白酶处理揭示了一系列关键发现：

• 紧密接触相中出现蛋白质耗尽的膜斑块，周围环绕5±1.1个深度回折刺突
• 半融合状态（hemifusion）表现为外叶层融合而内叶层分离，直径8.1±1.1 nm
• 初始融合孔（直径15.6±2.2 nm）由9±1个呈锥形排列的刺突蛋白环绕
• 完全融合的颗粒内可观察到SARS-CoV-2核糖核蛋白（RNP）与HIV-1核心共存

S2抗体WS6的双重抑制机制
针对S2茎螺旋区的广谱中和抗体WS6展现出独特作用模式：

1. 预融合刺突交联：通过结合S2茎区，WS6使刺突蛋白形成链状簇，限制其构象灵活性
2. 阻断中间态重折叠：WS6可稳定延伸中间态，阻止其向部分回折构象转变
3. 冷冻电镜亚断层平均显示，60%的刺突蛋白结合3个WS6 Fab片段

构建完整的融合模型
研究提出九阶段融合路径：
I. ACE2诱导刺突簇集 → II. S2延伸中间态 → III. 部分回折中间态 → IV. 紧密接触相 → V. 膜凹陷 → VI. 半融合 → VII. 融合孔 → VIII. 完全融合 → IX. 多轮融合
该模型特别强调：

• 刺突蛋白簇集是所有融合步骤的先决条件
• S2'切割是完成S2重折叠的分子开关
• 锥形排列的刺突蛋白是膜重塑的结构支架

这项研究不仅填补了冠状病毒融合机制的关键空白，还为针对保守S2结构域的广谱抗病毒策略提供了理论依据。通过原位捕捉瞬态融合中间态，揭示了病毒入侵的精细时空调控机制，对开发阻断膜融合的新型治疗手段具有重要指导意义。