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新冠病毒如何感染细胞？Delta为何这么毒？|《自然》长文
posted on 01 Dec 2021 under category 生命科学
蓄“刺”待发
一切从刺突蛋白开始。每个新冠病毒颗粒（virion）的表面有24-40个任意排列的刺突蛋白，这些刺突蛋白是病毒与人细胞融合的关键。
与流感病毒等其他病毒表面的刚性融合蛋白相比，新冠病毒的刺突蛋白非常灵活，能在三个点像铰链一样活动，如此一来，刺突蛋白就能任意掉头、摇摆、转动，这有利于它对细胞表面进行扫视，或是用多个刺突蛋白与一个人体细胞相结合。 
研究人员在疫情早期就证实了新冠病毒刺突蛋白的RBD能与ACE2受体结合。ACE2受体是一种常见的蛋白，广泛分布于人类喉部和肺部的大部分细胞表面。这个受体还是导致严重急性呼吸系统综合征的SARS病毒（SARS-CoV）的入胞点。但是，新冠病毒与ACE2的亲和力更好，估计是SARS病毒的2-4倍，这是因为RBD的多种变化能稳定其与病毒结合的热点位置。
危险的新冠病毒变异株容易在刺突蛋白的S1亚基上携带突变，S1亚基包含RBD，并负责病毒与ACE2受体的结合
目前Delta变异株正在世界各地传播，它在S1亚基上有多个突变，包括RBD上的3个突变，这3个突变似乎不仅能提高RBD与ACE2的亲和力，还能提高其逃逸免疫系统的能力。
限定入口
病毒刺突蛋白与ACE2结合后，宿主细胞表面的其他蛋白就会启动病毒外膜与细胞膜融合的过程。
SARS病毒会利用两个宿主蛋白酶中的一个入胞：TMPRSS2（读作tempress two）或组织蛋白酶L。TMPRSS2的入胞途径更快，但SARS病毒经常通过核内体侵入，核内体是一种脂质包裹的囊泡，这个途径依赖组织蛋白酶L。不过，如果病毒颗粒从这一途径进入，就会被抗病毒蛋白逮个正着。
新冠病毒之所以不同于SARS病毒，就在于它能更快地利用TMPRSS2。TMPRSS2是呼吸道细胞表面大量存在的一种酶。TMPRSS2会先酶切刺突蛋白S2亚基上的一个位点。这个剪切点会暴露一串疏水性氨基酸，暴露后的疏水性氨基酸会迅速嵌入最近的膜中——即宿主细胞膜。随后，展开的刺突蛋白会折叠起来，像拉链一样，迫使病毒外膜与细胞膜融合。
新冠病毒能利用TMPRSS2实现快速入胞，解释了为何疟疾药物氯喹一开始在实验室研究中表现良好，但在治疗COVID-19的临床试验中无效。“新冠病毒在人类气道中传播和复制时不会用到核内体，所以氯喹这种核内体干扰药物在真实人体中效果就不大了。”Barclay说。
暴兵出击
新冠病毒在细胞内大量复制完成后，在离开细胞时，还有一步让这个病毒成为传染王：在有5个氨基酸的位点进行快速切割能让该病毒准备好攻击下一个目标。
其他冠状病毒在刺突蛋白S1和S2亚基的连接处只有一个精氨酸，新冠病毒却有5个连着的氨基酸：脯氨酸、精氨酸、精氨酸、丙氨酸、精氨酸。“由于这个位点非常特殊，我们就盯着它，最后发现这个位点确实是侵入肺部细胞的关键。”Phlmann说。2020年5月，他和同事报道了名为弗林（furin）的宿主细胞蛋白能识别并切割这个氨基酸链，而且这种切割对于新冠病毒快速进入人肺部细胞是“至关重要的”。
这不是研究人员第一次在病毒上发现弗林切割位点；致病性很高的禽流感病毒也有这个位点，Barclay说。当一位同事把培养的自然失去弗林切割位点的新冠病毒变异株给到Barclay时，她的团队发现感染该毒株的雪貂比感染大流行毒株的雪貂脱落的病毒颗粒更少，而且不会将病毒传给周围的动物。正当Barclay的团队准备在2020年9月的预印本论文中报道该结果时，荷兰的一项研究也发现，拥有完整弗林切割位点的冠状病毒进入人气道细胞的速度比没有弗林切割位点的更快。
通过剪切S1和S2亚基之间的连接键，弗林酶切让病毒颗粒的刺突蛋白松开，以便它们在进入细胞时对TMPRSS2的二次切割产生反应，这次切割暴露出的疏水性区域会快速将自己嵌入宿主细胞膜内，Gallagher说。如果刺突蛋白没有被弗林蛋白预先切开——有时也不会被切开——它们就会绕开TMPRSS2，通过更慢的核内体途径进入细胞，或是根本不进入细胞。
Alpha和Delta变异株的弗林切割位点都发生了变化。Alpha变异株将本来的脯氨酸替换成组氨酸（P681H）；Delta变异株则替换成了精氨酸（P681R）。这两个变化都会减少序列的酸性；而且氨基酸链越基础，它们被弗林识别切割的效果也更好，Barclay说。“我们的假设是，这体现出新冠病毒的传递能力增强了。”
更多弗林酶切意味着更多刺突蛋白准备好进入人体细胞。SARS病毒只有不到10%的刺突蛋白做好了这种准备，Menachery说。Menachery的实验小组一直在量化这些做好准备的刺突蛋白，但研究成果尚未发表。对新冠病毒来说，这个比例上升至50%，而Alpha毒株超过了50%，该团队发现，在传染性很强的Delta毒株中，75%以上的刺突蛋白准备好继续感染人体细胞。