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PNAS | 丁强/张荣/袁正宏团队揭示了新冠病毒广泛的潜在宿主范围

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BioArt 2021-03-05 10:25
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图1.寻找SARS-CoV-2的中间宿主

图源:https://www.nature.com/articles/d41586-021-00531-z

作者:David Parkins

2021年3月4日,清华大学医学院丁强课题组联合复旦大学张荣袁正宏团队在PNAS期刊上发表题为Functional and Genetic Analysis of Viral Receptor ACE2 Orthologs Reveals a Broad Potential Host Range of SARS-CoV-2(新冠病毒受体ACE2同源基因的功能和遗传分析揭示其广泛的潜在宿主范围)的研究论文。该研究发现44个物种,包括家畜、宠物以及动物园中的动物的细胞表面受体血管紧张素转化酶II(ACE2)可以与新冠病毒的刺突蛋白(Spike,S)结合从而介导SARS-CoV-2进入靶细胞。该研究为新冠病毒潜在的宿主范围和跨物种传播提供了细胞水平上的实验证据,表明新冠病毒可能具有广泛的宿主范围,提示了监测潜在宿主对于控制疫情反复的重要性。

新冠疫情已对全球公共卫生安全和经济发展造成了重大威胁,但其潜在的宿主目前仍不清楚。对疫情防控来说,找到新冠病毒的中间宿主极为重要,只有确定中间宿主才能切断“动物传人”的源头,防止病毒再次传播。目前通过基因组分析认为SARS-CoV-2的源头很可能是蝙蝠,但蝙蝠直接将病毒传染给人类的概率很小,所以可能有其他哺乳动物物种充当了中间宿主的角色,病毒在中间宿主体内进化后最终获得了感染人的能力。

为了明确新冠病毒的宿主范围,研究人员首先根据SARS-CoV-2的S蛋白与ACE2的结构信息,确定了5个位于结合界面上高度保守的关键氨基酸。以这5个氨基酸作为筛选标准,从将近300个ACE2同源序列中筛选出了80个同源序列,并发现这些可能与新冠S蛋白结合的ACE2序列均来自于哺乳动物。

接下来,研究者选择了48个有代表性的ACE2同源序列在无内源ACE2表达的人非小细胞肺癌细胞(A549)中表达,包括家畜、宠物,动物园和水族馆中的动物等与人类接触密切的物种。首先通过结合实验评估不同物种ACE2结合S蛋白的能力,即将SARS-CoV-2的S1蛋白与过表达不同物种ACE2的A549细胞共孵育。结果发现除了三种新世界猴(白色簇绒耳狨猴、松鼠猴和簇毛捲尾猴)、考拉、鼬科动物(雪貂,水貂)的ACE2检测不到与S1蛋白的结合之外,其余物种的ACE2与S1蛋白均有较强的结合。接下来,为了直接评估不同ACE2介导病毒进入细胞的功能,研究者用 SARS-CoV-2活病毒感染过表达ACE2的A549细胞,结果与上述结合实验的结果一致,表达三种新世界猴子和考拉ACE2的细胞不能被病毒感染,过表达水貂和雪貂ACE2的细胞仅检测到较少的病毒感染信号,其它物种ACE2过表达细胞中均检测到了大量病毒感染信号。该结果表明多个物种ACE2可能都具有介导新冠病毒进入的潜力,因此SARS-CoV-2可能具有广泛的宿主范围。

此外,对于三种新世界猴ACE2不能介导新冠病毒进入的现象,研究者分析了ACE2与S蛋白结合界面上的氨基酸序列。发现在新世界猴ACE2序列中这些位点保守性较低,并且新世界猴ACE2的H41和E42与其他物种ACE2高度保守的Y41和Q42不一致。研究者通过结合实验和病毒感染实验进一步证明了这两个位点的重要性,将这两个氨基酸突变为Y和Q后,使新世界猴的ACE2获得了支持新冠病毒进入细胞的能力。

清华大学医学院刘迎辉博士,复旦大学上海医学院胡高维王玉燕,清华大学医学院博士生任文琳,研究助理赵小敏为并列第一作者。清华大学医学院丁强研究员,复旦大学张荣研究员和袁正宏教授为共同通讯作者。

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https://www.pnas.org/content/118/12/e2025373118

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