《Nature Communications》：Human coronavirus HKU1 spike structures reveal the basis for sialoglycan specificity and carbohydrate-promoted conformational changes
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為探究人冠狀病毒 HKU1 碳水化合物結合特異性及結合碳水化合物后的構象變化機制，研究人員解析其刺突蛋白結構。結果發現其單體有四種構象狀態，六氨基酸插入決定對特定糖脂的特異性。這為理解病毒感染機制提供依據。
在病毒的神秘世界里，冠狀病毒一直備受關注。四種季節性冠狀病毒能引發人類呼吸道感染，其中人冠狀病毒 HKU1（HCoV-HKU1）和 HCoV-OC43 同屬 β 冠狀病毒的 Embecovirus 亞屬，它們利用碳水化合物作為受體，尤其是 9-O - 乙�；� N - 乙酰神經氨酸（Neu5,9Ac
2） 。HKU1 還可使用跨膜絲氨酸蛋白酶 2（TMPRSS2）作為受體，然而，其碳水化合物結合特異性的基礎以及碳水化合物結合促進的構象變化尚未完全明晰。為了深入了解這些關鍵問題，來自加拿大多倫多大學等機構的研究人員展開了深入研究。這項研究成果發表在《Nature Communications》上，為揭開 HKU1 感染的神秘面紗提供了重要線索。
研究人員運用了多種關鍵技術方法。在蛋白質和碳水化合物的制備方面，通過在 HEK293F 細胞中表達并純化 HKU1 刺突蛋白及其 D1 結構域，同時利用酶促反應合成并純化多種含 9-O - 乙�；僖核岬木厶�。在檢測蛋白與聚糖的結合親和力上，采用表面等離子共振（SPR）和生物膜干涉（BLI）技術 。為解析蛋白結構，使用冷凍電鏡（cryo-EM）技術收集數據，并通過一系列數據處理和分析流程獲得高分辨率的蛋白結構模型。
在研究結果部分：
- HKU1 刺突蛋白的多種構象狀態：通過對 apo 和 9OAc-GD3ap樣本的冷凍電鏡數據集分析，發現碳水化合物結合促進 D2 結構域向上構象轉變。進一步研究識別出 HKU1 單體存在四種離散構象狀態：Down（D）、DownAlt（DAlt）、Active（A）和 Up（U） 。在 apo 數據集中觀察到 Down、Active 和 Up 狀態的混合單體，而 9OAc-GD3 復合物數據集中則包含所有可能的構象組合。
- HKU1 對 9-O - 乙�；� GD3 神經節苷脂的識別機制：9OAc-GD3ap數據集詳細描述了不同狀態下 D1 結構域與碳水化合物的結合情況。蛋白僅與 9OAc-GD3 四糖的 9-O - 乙�；僖核岵糠窒嗷プ饔�，且該結合位點的殘基在 Embecovirus 中高度保守。研究還發現，HKU1 特有的六氨基酸插入（insert-2）與 α2 - 3 連接的唾液酸部分相互作用，對 9OAc-GD3 的結合親和力至關重要，突變實驗進一步證實了這一點。此外，HKU1 對含 9-O - 乙�；� α2 - 8 連接二唾液酸部分的糖脂具有較高親和力，而對其他相關聚糖親和力較弱。
- 混合單體的結構與構象變化關系：分析混合單體在 Down 狀態的結構，發現其 D1、D2 和 D3 結構域形成緊密排列，能夠介導相關的構象變化。從 Down 狀態轉變為 Active 狀態，再到 Up 狀態，伴隨著 D1 主結構域和 D2 結構域的協同旋轉，且這種轉變能力是 HKU1 刺突蛋白的內在特性。
- 構象轉換的分子機制：研究發現，D1 結構域中一段被稱為 “構象中繼” 的多肽片段（殘基 26 - 40）在定義離散狀態中起關鍵作用。從 Down 狀態到 Active 狀態的轉變過程中，碳水化合物結合位點完全結構化，構象中繼發生兩殘基的移位，形成 Active - bulge，導致 D1 主結構域旋轉和 D2 結構域取向改變。而從 Active 狀態到 Up 狀態的轉變過程中，構象中繼不再發生變化。
- DownAlt狀態的特殊作用：DownAlt狀態僅存在于 9OAc-GD3ap數據集中，該狀態下碳水化合物結合位點雖已完全結構化，但 D2 結構域仍處于向下構象，構象中繼的部分殘基無序，可能儲存碳水化合物結合能量，用于后續向 Active 狀態的轉變。
- 特定序列對構象轉變的影響：對構象中繼中 TVPR 序列進行突變研究，發現突變后碳水化合物結合無法促進 D2 結構域向上構象轉變，表明該序列在穩定構象中繼和促進碳水化合物結合位點結構化導致的移位中起關鍵作用。
在研究結論和討論部分，該研究揭示了 9-O - 乙�；� GD3 聚糖與 HKU1-A 刺突蛋白結合促進 D2 結構域向上構象轉變的復雜機制，這支持了碳水化合物受體結合促進蛋白受體結合的模型。研究還表明，不同 HKU1 基因型在碳水化合物結合位點結構和親和力上可能存在差異，而 insert-2 是決定 HKU1 對含 9-O - 乙�；� α2 - 8 連接二唾液酸部分糖脂特異性的關鍵因素，同時有助于減少與誘餌受體的相互作用。此外，碳水化合物結合并非簡單地以開關方式導致向上構象轉變，而是通過 Active 和 DownAlt狀態實現精細調節，可能僅在特定膜環境中促進有效病毒進入或細胞 - 細胞融合。該研究為深入理解 Embecovirus 利用碳水化合物和蛋白受體介導的膜融合機制提供了重要依據，對研究冠狀病毒感染和發病機制具有重要意義，也為開發針對 HKU1 的防治策略提供了潛在靶點和理論基礎。
