酸性pH通过刺突蛋白部分解折叠驱动SARS-CoV-2失活的分子机制研究

本研究揭示了SARS-CoV-2在酸性环境下的失活机制：当pH低于3时，病毒刺突蛋白(S蛋白)发生部分解折叠，导致病毒颗粒丧失与靶细胞结合能力。研究人员通过冷冻电镜、超分辨率显微镜和有限蛋白酶解等技术，首次阐明酸性pH通过破坏S蛋白构象而非病毒膜完整性来抑制病毒感染，为理解冠状病毒在气溶胶中的稳定性差异提供了分子基础，对开发新型空气消毒策略具有重要意义。

　　

在COVID-19大流行背景下，呼吸道气溶胶传播成为SARS-CoV-2主要传播途径。然而，气溶胶微环境中的理化特性如何影响病毒稳定性仍不清楚。特别值得注意的是，呼吸道气溶胶颗粒(IRPs)在排出后会经历剧烈的pH变化，小型颗粒可在几分钟内达到pH<4的酸性环境。虽然已知流感病毒在酸性条件下迅速失活，但冠状病毒对酸性pH的耐受性及其分子机制尚未阐明。

苏黎世大学(University of Zurich)的研究团队在《Communications Biology》发表的研究中，系统研究了SARS-CoV-2及其近缘种人冠状病毒229E(HCoV-229E)在极端酸性条件下的稳定性差异及其结构基础。研究发现pH<3会导致SARS-CoV-2快速失活，而HCoV-229E却能耐受pH2.0长达数小时。通过冷冻电子断层扫描(cryo-ET)证实病毒膜完整性保持完好，超分辨率显微镜显示酸性处理后的SARS-CoV-2丧失了细胞结合能力。有限蛋白酶解-质谱联用技术(LiP-MS)和特异性抗体结合实验共同揭示，酸性pH诱导了刺突蛋白(S蛋白)的部分解折叠，特别是受体结合域(RBD)的构象改变，这是导致病毒失活的关键因素。

研究采用了多项关键技术：1)病毒在不同pH条件下的体外处理系统；2)冷冻电子断层扫描分析病毒颗粒完整性；3)超分辨率显微镜观察病毒-细胞结合；4)有限蛋白酶解结合质谱技术检测蛋白质构象变化；5)特异性抗体标记分析S蛋白结构域暴露情况。实验使用了两株SARS-CoV-2毒株(早期分离株BavPat1和奥密克戎变异株JN.1)以及携带荧光素酶报告基因的HCoV-229E-Ren。

酸性pH低于3导致SARS-CoV-2快速失活
研究发现pH2.8处理10分钟或pH2.2处理10秒即可使SARS-CoV-2滴度下降1000-10000倍，而HCoV-229E在pH2.0下1小时仍保持稳定。奥密克戎JN.1在pH2.7下的失活速度比BavPat1更快，但两毒株在pH4.3下均保持稳定，显著强于流感病毒。

病毒膜完整性在酸性处理后保持完好
冷冻电镜显示pH2.8处理的SARS-CoV-2仍保持完整包膜结构，但内部核糖核蛋白复合体(vRNP)出现紊乱。RNase消化实验证实基因组保护功能未受破坏，病毒滴度下降与基因组完整性损失无相关性。

酸性处理后的SARS-CoV-2丧失细胞结合能力
超分辨率显微镜显示，pH2.8处理1小时的病毒几乎完全丧失与Vero-E6/ACE2/TMPRSS2(VAT)细胞的结合能力，而短时间处理(10秒)的样品结合正常，表明失活源于S蛋白功能损害而非病毒解体。

酸性pH诱导S蛋白部分解折叠
LiP-MS鉴定出S2亚基中4个显著变化的肽段，其蛋白酶K切割位点在天然结构中原本埋藏。抗体结合实验显示，中和性RBD抗体结合减少，而识别线性表位的抗体信号增强，证实RBD和N端结构域(NTD)发生解折叠。这种构象变化在JN.1毒株中同样存在，但HCoV-229E的S蛋白结构变化较小。

这项研究首次阐明酸性pH通过诱导SARS-CoV-2刺突蛋白部分解折叠而使其失活的分子机制，揭示了不同冠状病毒在气溶胶环境中稳定性差异的结构基础。研究发现即使极端酸性条件(pH2.0)也不会破坏病毒膜完整性，而是特异性影响S蛋白构象，特别是RBD的结构稳定性。这一发现为理解呼吸道病毒在气溶胶中的存活规律提供了新视角，提示通过调节室内空气成分改变气溶胶pH可能成为防控病毒传播的新策略。研究还建立了分析病毒结构稳定性的多技术联用方法体系，为评估未来新发呼吸道病毒的传播风险提供了技术框架。