蝙蝠与穿山甲Merbecovirus刺突蛋白结构揭示人类DPP4受体适应的关键特征

研究人员针对Merbecovirus亚属冠状病毒(如MERS-CoV及其相关病毒)刺突蛋白(S蛋白)与人类二肽基肽酶4(hDPP4)受体结合的分子机制尚不明确的问题，通过冷冻电镜技术解析了GD-BatCoV和SE-PangolinCoV的RBD-hDPP4复合物结构，发现其结合界面存在显著偏移，并鉴定出MERS-HKU4进化枝共有的疏水簇特征。研究揭示了多区域协同作用决定高亲和力结合的机制，阐明了Merbecovirus受体结合的趋同进化与多样性特征，为冠状病毒跨种传播预警提供了重要结构基础。

　　

近年来，冠状病毒引发的多次疫情暴发凸显了其跨物种传播的巨大威胁。在β冠状病毒属中，Merbecovirus亚属包含MERS-CoV（中东呼吸综合征冠状病毒）及其相关病毒，这类病毒可能通过蝙蝠、穿山甲等中间宿主传播给人类。尽管已知MERS-CoV通过刺突蛋白(S蛋白)与人类二肽基肽酶4(hDPP4)结合实现感染，但其他Merbecovirus成员（如蝙蝠源GD-BatCoV和穿山甲源SE-PangolinCoV）的受体结合机制仍不明确。更关键的是，这些病毒如何进化出适应人类受体的能力，以及不同病毒株间受体结合特性的差异，都是亟待解决的科学问题。

为回答这些问题，国内研究机构的研究人员开展了一项系统性研究，通过结构生物学与功能实验相结合的方法，揭示了Merbecovirus刺突蛋白适应人类DPP4受体的关键特征。研究发现不同病毒株采用独特的界面偏移结合模式，并鉴定出保守的疏水簇作为受体结合的关键特征。该成果发表于《SCIENCE ADVANCES》，为理解冠状病毒受体利用的进化规律提供了新视角。

研究主要采用冷冻电镜(cryo-EM)解析了6种Merbecovirus S蛋白三聚体及2种RBD-hDPP4复合物结构；通过生物膜层干涉技术(BLI)定量分析结合亲和力；利用结构引导的定点突变和结构域交换实验验证功能关键位点；采用细胞-细胞融合实验评估S蛋白的膜融合活性。实验样本涵盖蝙蝠、穿山甲和刺猬来源的11种Merbecovirus毒株。

结构与受体结合活性分析
冷冻电镜结构显示，GD-BatCoV和SE-PangolinCoV的RBD与hDPP4结合时存在显著界面偏移（4-6 ?），其中GD-BatCoV的D541_GD与hDPP4的Arg336_DPP4形成独特盐桥。尽管结合模式不同，所有hDPP4结合型病毒均共享由β6的L509_GD、β8的Y544_GD和β9的I557_GD/V559_GD组成的保守疏水簇，该簇与hDPP4的Ala291_DPP4/Leu294_DPP4相互作用。

结合亲和力调控机制
SE-PangolinCoV-RBD对hDPP4的亲和力(K_D=9.4 nM)接近MERS-CoV，而GD-BatCoV-RBD结合较弱(K_D=255 nM)。将SE-PangolinCoV的β6(F507I_PG+Q508S_PG)、loop7(H517N_PG+N518Q_PG+S519D_PG)和loop9(Y540G_PG)同时突变为HKU4同源序列时，亲和力降低62倍，表明高亲和力需要多区域协同作用。

结构可塑性限制
GD-BatCoV的RBM区域替换实验显示，单个位点突变对结合影响有限，而完整MERS-CoV-RBM的移植可使亲和力提升4.4倍。相反，将MERS-CoV的RBM替换为GD-BatCoV序列导致亲和力下降13倍，表明Merbecovirus的RBM区域可塑性较低。

S蛋白三聚体构象特征
解析的6种Merbecovirus S蛋白均呈现"锁定"构象，分为锁定-1（如GD-BatCoV）和锁定-2（如SA-BatCoV）两种亚型。构象转换源于Domain C/D连接区的结构重排：锁定-1中F355_CN构成疏水核心，而锁定-2中Y354_CN占据核心位置。多数S蛋白的RBD中鉴定出脂质结合口袋，其中保守的Ser介导脂肪酸羧基结合，这与SARS-CoV-2中Arg介导的结合模式不同。

受体结合进化模式
系统发育分析将Merbecovirus分为四大分支：MERS-HKU4分支（hDPP4结合型）呈现结合模式的趋同进化；而HKU5-HKU25、SA-BatCoV-刺猬CoV和MOW-BatCoV分支（ACE2结合型）则表现出结合方式的多样化。关键差异体现在Loop7、η3-β8和Loop10的结构变化，这些区域在hDPP4结合型病毒中更长且参与受体相互作用。

该研究揭示了Merbecovirus适应人类DPP4受体的结构基础，特别是保守疏水簇作为跨物种传播的关键特征。发现不同病毒株通过独特的界面偏移实现受体结合，这种灵活性可能帮助病毒应对不同宿主的受体变异。更重要的是，研究证明Merbecovirus的受体结合域可塑性有限，这与高变异的Sarbecovirus形成鲜明对比，暗示两类冠状病毒可能采用不同的宿主适应策略。

这些发现为预测Merbecovirus的跨种传播风险提供了分子标志物，其中保守疏水簇可作为监测hDPP4结合潜力的关键指标。此外，鉴定的锁定构象及脂质结合位点为广谱疫苗设计提供了新靶点。研究还提示需要建立差异化的监测策略：对hDPP4结合型病毒应关注受体界面的保守特征，而对ACE2结合型病毒则需警惕其结合模式的多样化演变。这些见解将显著提升对冠状病毒潜在人畜共患风险的评估能力。