介绍一篇发表在Nat Commun.上的文章，Structural dynamics in the evolution of SARS-CoV-2 spike glycoprotein1，文章作者是伦敦国王学院的Argyris Politis。
COVID-19的病原SARS-CoV-2病毒利用其病毒膜表面的同源三聚体糖蛋白刺突蛋白（spike）与人体细胞膜表面的ACE2结合启动入侵宿主过程。但因spike高度突变性，致使目前市面上的大部分针对spike的疫苗失去免疫效果。值得关注的变异体（VOCs）包括疫情早期的D614G突变，以及后续产生的alpha、beta、gamma、delta、omicron等突变，虽然变异位点各有差异，但它们的特点是都包含有D614G这一突变。D614G spike相比于WT spike构象上更加成open状态、更易与受体ACE2结合。而更加open的状态与D614G中的630 loop和FPPR的偏离原来的位置有关。尽管目前有大量的spike冷冻电镜（cryo-EM）高分辨结构研究，但cryo-EM难以获得的spike的动态变化同样与其功能高度相关，其中包括每个变体的本身的结构动态性、ACE2结合过程以及S2暴露及融合事件。因此，目前对于spike突变对其构象的扰动、对其如何影响功能、以及其与受体结合的动力学仍缺乏理解。本文利用氢氘交换质谱（HDX-MS）这一对蛋白质结构及动态性高度敏感的技术，研究spike WT以及spike变异株（alpha、beta、delta和omicron）间的结构动态性差异，也探究了它们与受体ACE2相互作用后到post-fusion状态前的相关动态事件。该研究主要揭示了spike从WT到omicron间的构象演化过程，其中发现了与spike构象开放相关的区域RBD-s，而spike变异体进化的差异、及免疫逃逸都与NTD动态性增强相关，同时也分析了不同变体结合ACE2时构象差异及动态性变化。本研究使用到的变体WT、D614G、alpha、beta、delta和omicron均含有2P突变（K986P、K987P）使其无法进入post-fusion状态。作者首先比较了WT和D614G的HDX差异。根据电镜结构，在开放和关闭的构象转变时，RBD的溶剂可及性会产生差异，即开放时溶剂可及性增加（图1a）。而在HDX-MS结果中，D614G的RBD相关区域的氘代较WT高（例如407-422和456-471区域，图1b）。而D614G的FPPR尽管在早期时间点氘代较WT高，但在晚期时间点差异消失且氘代值较高（图1c），说明在WT和D614G中该区域都是高度动态的。而D614G的630 loop区域氘代变化较大（上升和下降均有），说明该区域经历较大的结构重排（图1d）。此外，D614G S2主干部分的氘代也较WT高，这预示着三聚体的结合有所松动。D614G整体呈更开放的构象，这与电镜结果是吻合的。接着作者比较了alpha、beta、delta和omicron相对于D614G的HDX差异。在RBD和RBD-s区域alpha、beta、delta表现出氘代上升（即氘代值较D614G高），而在630 loop区上升下降均存在（图2a）。这表明alpha、beta、delta相比于D614G倾向于更为开放的构象，这与cryo-EM的数据是吻合的。但omicron的630 loop区和RBD-s的氘代情况与WT相似，说明该蛋白较D614G构象更为封闭（注意：图2a中RBD区域观察到的氘代上升区域主要集中在RBD内部，而非与S2的交界处，因此该处氘代上升仅说明RBD内部更为松散，并不能反映RBD的开关/闭合）。在所有spike VOCs的NTD、HR1等区域相较于D614G均表现出氘代上升现象。这表明这些VOCs在这些区域的构象进化是相似的。此外需要注意的是，omicron的HR1和CH区域的氘代上升现象十分明显。先前研究表明HR1和CH是spike融合机制的重要组分，该区域氘代上升表明在未结合配体的情况下omicron相比于D614G更为融合做好了准备。
图2. Spike变异株构象进化趋势。
接着作者检测了ACE2与各spike结合时，ACE2的HDX，以评估不同变体对ACE2的结合能力。在该实验中，不仅包含了上述研究的spike及变体，作者还选用了单独分离表达的WT的RBD结构域作为对照。作者发现，不同spike引起的ACE2 HDX变化程度：alpha
> beta > delta > G614 > WT ≈ omicron（图3a、b）。这可能与结合的化学计量以及构象的开放程度相关。
图3. 不同spike结合对ACE2动态性的影响。作者接下来还观察了与ACE2结合时spike的HDX变化。这些spike在RBD的442-506、400-427区域有明显的HDX下降趋势，这是由于ACE2与该区域直接接触（图4）。其次作者观察到RBD-s区域HDX降低，这与spike的开放程度相关，WT和omicron的该效应最为显著。此外作者观察到ACE2结合后残基495-503区域表现出氘代双峰同位素分布现象。低质荷比的分布有可能代表着与ACE2发生结合的protomer。而高质荷比的分布代表未发生结合但有可能受ACE2扰动的protomer，可能是该状态时RBD处于不完全竖立的一种中间态，即协同开放迹象。D614G和delta表现出丰度更高的高质荷比分布（图5），意味着其具有更高的ACE2结合协同性。作者在该部分得出一个结论：RBD竖立并与ACE2结合时，结合能量指向仍处于down状态的RBD。
图4. ACE2结合对不同spike动态性的影响。在ACE2结合时，所有spike的630 loop和FPPR区表现出从关闭到开放相同的HDX变化趋势，即结合后氘代上升（图6b）。这些区域包括NTD-s、RBD-s的N端、furin位点、FP区、HR1和CH区，而omicron和alpha spike在FP-HR1段875-922还表现出额外增加的氘代。不同的spike氘代上升程度不一样，omicron是最为剧烈的。此外，962-982这一双峰分布区域变化程度：omicron > alpha > beta > G614 ≈ WT（图6c）。但HR1的氘代上升的剧烈程度与协同开放程度呈反相关。例如D614G与ACE2结合效应强于WT，但是HR1的氘代上升趋势是类似的，D614G多余的结合能量可能转移到了引导三聚体协同开放上（因为D614G的双峰分布高质荷比分布更为剧烈，图5）。同样，alpha和beta spike与ACE2结合效应强度是相似的，但alpha的HR1不稳定性高于beta，因为beta可能将更多的结合能量转移到了协同开放效应中。而omicron的协同效应是低于其他spike的（图5），相应的其HR1区域表现出了最强的氘代上升现象。这说明omicron将更多的结合能量转移到了自身的核心螺旋中，而非转移到受体介导的协同开放效应中，为融合相关构象的重排做准备。结合构象比较中，omicron的核心区域的氘代程度比其他spike均高，因此推测omicron演化出了使其更具有适应融合构象重排的结构特征，其他变体演化出了更强受体结合及促进开放的特征。总的来说，该文对比了不同spike变异体之间结构本身的差异，同时也考察了不同变体结合ACE2时的结构和动态反应，揭示了spike随着变异而产生的对感染能力的适应。该研究从结构层面对spike变体的进化趋势提供了独到的见解。该研究对spike变异的趋势预测及疫苗开发提供了见解。原文：Structural dynamics in the evolution of SARS-CoV-2 spike glycoprotein
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