SARS-CoV-2刺突蛋白利用宿主跨膜丝氨酸蛋白酶的进化机制及其对病毒感染的调控作用

本研究针对SARS-CoV-2变异株刺突蛋白（Spike）对宿主跨膜丝氨酸蛋白酶（TTSPs）利用机制的动态演变展开深入探索。通过人呼吸道上皮模型和分子对接技术，团队发现Delta变异株通过增强与Hepsin的离子/疏水相互作用实现高效膜融合，而Omicron BA.1则转向依赖TMPRSS2或组织蛋白酶（cathepsins）。该研究首次系统揭示刺突蛋白突变通过序列和构象变化调控蛋白酶偏好性，为理解病毒传播力进化及靶向抗病毒策略设计提供新视角。论文发表于《iScience》。

　　

病毒入侵的"分子钥匙"如何进化？

新冠病毒（SARS-CoV-2）的刺突蛋白如同入侵细胞的"分子钥匙"，其激活需要宿主蛋白酶切割。早期研究聚焦于跨膜丝氨酸蛋白酶TMPRSS2的作用，但随着变异株涌现，科学家发现不同毒株对蛋白酶的选择存在显著差异——这就像病毒不断更换"开锁工具"，但背后的进化规律始终成谜。

从临床谜题到科学突破

当Omicron变异株展现出与早期毒株不同的蛋白酶偏好性时，Aleksandra Milewska团队意识到：刺突蛋白的蛋白酶利用机制可能正在经历动态进化。这种演变直接影响病毒的细胞嗜性、传播效率和免疫逃逸能力。为此，研究者系统分析了从原始株到Omicron多个变异株的蛋白酶依赖性，揭示了病毒与宿主相互作用的精妙博弈。

关键技术方法

研究采用人呼吸道上皮细胞（HAE）模拟天然感染环境，结合A549-ACE2/TTSPs工程细胞系进行功能验证。通过伪病毒入侵实验、病毒复制动力学分析和分子对接模拟（使用HADDOCK和AMBER22软件），系统评估了刺突蛋白与TMPRSS2、Hepsin等蛋白酶的相互作用特征。所有病毒实验均在生物安全三级（BSL-3+）实验室完成。

主要研究结果

1. 丝氨酸蛋白酶是气道上皮感染的主要激活因子

在HAE模型中，所有测试变异株（Wuhan、Alpha、Delta、Omicron等）的复制均被丝氨酸蛋白酶抑制剂camostat显著抑制，而组织蛋白酶抑制剂E64D无效。这证实TTSPs是呼吸道天然感染环境中的主导激活因子。

2. 体外模型中蛋白酶依赖性存在变异株特异性

在A549-ACE2/TMPRSS2细胞中，Delta和Wuhan株对camostat敏感，而Alpha、Gamma和Omicron BA.1则表现出更强的cathepsin依赖性。分子机制研究发现，Delta株刺突蛋白与Hepsin形成更稳定的盐桥（R815-K340、D808-E207）和疏水作用（L821-L419），而Omicron BA.1仅保留少量极性相互作用。

3. 刺突蛋白-蛋白酶相互作用的分子基础

接触图谱分析显示，Delta变异株与Hepsin的界面存在25个非特异性接触点，涉及两个刺突蛋白亚基；而Wuhan和Omicron BA.1仅与单个亚基相互作用。这种结构差异解释了Delta株对Hepsin的独特偏好性——就像多把锁扣同时固定，使蛋白酶更容易定位切割位点。

研究结论与意义

该研究首次绘制了SARS-CoV-2刺突蛋白蛋白酶利用机制的进化图谱：Delta株通过增强与Hepsin的相互作用获得传播优势，而Omicron转向TMPRSS2/cathepsin双通路可能促进上呼吸道感染。这种动态演变与刺突蛋白S2'切割位点的构象变化直接相关，为理解病毒组织嗜性转变提供了分子基础。

从转化医学角度看，发现Hepsin等替代性蛋白酶的作用，打破了TMPRSS2中心论的认知局限，为广谱抗病毒药物设计指明新方向。研究还提示监测刺突蛋白非RBD区域的进化同样重要——这些"隐形"突变可能通过改变蛋白酶敏感性间接影响病毒传播力。正如作者所言："蛋白酶切割位点的进化是与免疫逃逸并行的关键适应性策略。"