构象可塑性切换塑造SARS-CoV-2各变异株刺突蛋白对ACE2的接合特性

《Advanced Science》：Switching Spike Plasticity Shapes ACE2 Engagement Across SARS-CoV-2 Variants

　　

构象可塑性使包括SARS-CoV-2刺突（S）蛋白在内的I类病毒融合蛋白发生主要结构重排，从而支持受体结合与膜融合，使其成为疫苗与抗病毒药物的关键靶点。研究人员采用高速原子力显微镜（HS-AFM）与单分子力谱（SMFS）分析了祖先株及9种刺突变异株，发现一种进化趋势：早期毒株柔性增加，自Delta起刚性增强，Omicron亚系可塑性波动，而JN.1呈现显著紧缩。Delta借助其三个受体结合域（RBD）偏好多价ACE2接合，而后继Omicron变异株转向以单位点相互作用为主，该变化由更强的RBD–ACE2键稳定性补偿。总体而言，刺突进化似乎在开放性与紧缩性之间取得平衡，以调控受体可及性、运动性及免疫逃逸，同时维持或增强进入效率。这些单分子测量定义了病毒适应的功能约束，或可指导未来变异株预测与改进对策设计。

研究背景与立项依据

构象可塑性是病毒结合与融合蛋白的重要特征，使病毒在入侵时发生剧烈结构重排。SARS-CoV-2刺突（S）蛋白作为I类融合表面糖蛋白，决定宿主范围，是疫苗与抗病毒干预的核心靶标。现有研究多聚焦RBD与ACE2的静态结合，对突变如何内在影响整个同源三聚体运动动力学及其如何塑造受体接合背景理解有限。自2019年末以来病毒持续进化，D614G及后续VOC（Alpha、Beta、Gamma、Delta、Omicron各亚系）在传播力、免疫逃逸上差异显著，但刺突整体构象动态与ACE2接合价态、动力学关联尚缺单分子尺度证据。为此，研究人员在《Advanced Science》发表工作，利用HS-AFM与SMFS在近生理条件下实时量化10种刺突变体的构象紧凑度、RBD运动速度及ACE2单分子结合价态与动力学，以揭示进化轨迹中的功能约束。

主要关键技术方法

研究以重组HEK293-6E表达的HexaPro/Δfurin背景三聚体刺突胞外域为样本队列，涵盖Wuhan-1、Alpha、Beta、Gamma、Delta、Omicron BA1/BA2/BA5/XBB1.5/JN.1（XBB1.5与JN.1为商业来源）。采用高速原子力显微镜（HS-AFM，50 ms时间分辨率）在云母表面记录RBD弧线运动与质心距离；采用单分子力谱（SMFS）将刺突偶联于AFM悬臂，与Vero E6细胞表面内源ACE2接触回拉，依Bell-Evans模型提取k_on、k_off及K_D，并以多峰解离力分布判定单/双/三价键比例。

研究结果

2.1 重组祖先与主导VOC刺突表达表征

研究人员构建并纯化各变体HexaPro胞外域，SEC显示Wuhan-1、Gamma、Delta出现双峰或肩峰，对应开放与紧缩前融合构象，为后续分馏比较奠定基础。

2.2 病毒进化影响刺突构象紧凑度与结构动态

HS-AFM显示RBD侧向速度从Wuhan-1约48.12 nm/s渐降至Omicron XBB1.5（23.52 nm/s）与JN.1（24.25 nm/s）；RBD距质心扩展度早期（至Gamma）略增，Delta与BA1回缩（约18.2–18.3 nm），BA2/BA5放松回Wuhan水平，XBB1.5再降，JN.1最紧缩（15.33±2.87 nm）。表明进化呈非单调“开放—紧缩” lineage特异性切换。

2.3 刺突变异株多价ACE2结合能力差异

SMFS力分布显示Wuhan-1峰1可三价接合（单/双/三键解离力31.7/53.9/86.7 pN），Delta多价最强（双键23.9%、三键6.5%），Alpha/Gamma/Omicron亚系多价率低，JN.1仅2.9%双键且无三键。SEC快洗脱（开放）Wuhan-1比慢洗脱多价率高，印证开放构象利于多价捕获。

2.4 晚期VOC主要通过延长相互作用稳定性提升ACE2亲和力

k_on沿进化略降（JN.1为3.6×10⁴ M^?1s^?1），但k_off显著下降：Wuhan-1约2.3×10^?4 s^?1，早期VOC降至~5×10^?5 s^?1，Omicron亚系达~3.9×10^?6 s^?1（较祖先稳约50倍）。K_D由Wuhan-1的6.7×10^?9 M降至Omicron的~1×10^?10 M。说明晚期变体以“单键更稳”补偿“多价减少”。

讨论与结论翻译浓缩

研究人员指出，HS-AFM/SMFS揭示刺突前融合构象呈非单调紧凑度演化：早期VOC渐开放，Delta起刚性化，Omicron BA1紧缩，BA2/BA5部分放松，XBB1.5/JN.1再紧缩且RBD运动最慢。开放柔性刺突（如SEC快洗脱Wuhan-1、Gamma）具更高多价率与k_on；刚性化Omicron（尤JN.1）多价最低但k_off极小。Delta偏好多价ACE2捕获，契合TMPRSS2膜融合路径；Omicron转内吞路径，以单接触慢解离稳化内体运输。构象可塑性与电荷演化不完全决定k_on/价态，化学亲和力与可及RBD态共决。HexaPro/Δfurin工程背景抑制S1/S2切割但保留RBD开合，相对比较仍有效。结论：刺突进化在开放—紧缩间平衡，以调受体可及性、运动性、免疫逃逸并维持进入效率；单分子动力学定义适应约束，可助预测变异株与对策设计。