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冠状病毒的棘蛋白。原图链接

棘蛋白（Spike protein），有称“棘状蛋白”，“刺突蛋白”，是病毒表面的一种蛋白质，亦是构成病毒表面突起物的东西。棘蛋白用途是与人体细胞接触，让细胞“打开门户”让病毒入侵的一种武器。冠状病毒之所以称为冠状，也是因为其棘蛋白外表很像一个“小皇冠”而得命。

概述

棘蛋白（Spike protein），简称S蛋白。有些病毒除了具有包膜（envelope）外，还有包膜突起，包膜突起的化学本质大多为糖蛋白，规则地排列著，包膜表面囊膜具有突起物，称棘蛋白，它可以促进病毒包膜与细胞膜融合侵入人体。

SARS冠状病毒

棘蛋白入侵人体细胞方式

2002年11月爆发流行的传染病SARS(severe acute respiratorysyndrome)，又称严重急性呼吸道症候群，或称传染性非典型肺炎(atypicalpneumonia, 简称“非典” )，它传染性强，潜伏期短，进展快，死亡率高，是由 coronavirus, SARS-CoV引起的呼吸系统疾病。从SARS大规模爆发后，对于冠状病毒的各项研究，如病原学、流行病学、病毒基因组结构、病毒蛋白的重组表达、临床检测、疫苗的研制、公共卫生管理学等等随之展开。科学家利用低温电子显微镜方式，发现新型冠状病毒的棘蛋白构造与当年SARS的棘蛋白十分相似，但对细胞名为（ACE2血管收缩素转化酶2）接触器的亲和力比较SARS棘蛋白强10至20倍，这意味新型冠状病毒攻击力较SARS病毒强得多。

冠状病毒囊膜表面具有呈放射排列的纤突棘蛋白。这些棘蛋白有的是病毒的凝血素(能凝集红细胞)，用于启动病毒感染过程，具有诱生免疫保护作用以及中和抗体的能力。有的具有神经氨酸酶的活力，可促使病毒从宿主细胞上释放。新冠肺炎与SARS冠状病毒的棘蛋白都用同一方式入侵人体细胞。尽管因两者蛋白质构造不同，导致对付SARS的药物在应对新型冠状病毒时无效，但研究为科学家指示方向，可有助加快疫苗及特效药的研制。

美国德州大学奥斯汀分校（The University of Texas at Austin），率先全球在2020年2月19日发表新研究结果，公布新型冠状病毒一个名为“棘蛋白”的蛋白质完整构造图。

定义

棘蛋白（S蛋白）是一种大型的I型跨膜蛋白，对于禽类传染性支气管炎病毒（IBV），范围为1,160个氨基酸；对于猫冠状病毒 （FCoV），范围为1,400个氨基酸。另外，该蛋白质高度糖基化，因为它含有21至35个N-糖基化位点。棘蛋白在病毒体表面组装成三聚体，形成独特的“电晕”或冠状外观，也就是我们常见的冠状突起物。

所有CoV棘蛋白的胞外域在两个域中共享相同的组织：一个名为S1的N末端域，负责受体结合，一个C末端的S2域负责融合。CoV多样性反映在可变尖峰蛋白（S蛋白）中，可变尖峰蛋白已演变成受体相互作用以及对病毒细胞膜融合的各种环境触发因素反应不同的形式。

据报导，新冠病毒可以通过与人ACE2受体相互作用来感染人呼吸道上皮细胞。 实际上，重组棘蛋白Spike蛋白可以与重组ACE2蛋白结合What's the deal with SARS-CoV-2's spike protein? 。

不同冠状病毒的棘蛋白之间的显著区别是在病毒体的组装和胞吐过程中是否被切割。除某些例外，在大多数α 冠状病毒和β 冠状病毒SARS-CoV中 ，病毒体带有未切割的刺突蛋白，而在某些β-和所有γ- 冠状病毒中 ，发现该蛋白在S1和S2结构域之间裂解，通常被弗林蛋白酶（高林氏体）裂解-驻留宿主蛋白酶。 有趣的是，在β冠状病毒小鼠肝炎病毒（MHV）物种中，不同的菌株（例如MHV-2和MHV-A59）显示出不同的裂解要求。 这对其融合性具有重要影响。

解构

冠状病毒病毒体结构中的棘蛋白

冠状病毒刺突蛋白是I类融合蛋白。这类融合蛋白的特征是α-螺旋卷曲螺旋结构的形成，该融合蛋白在其C-末端部分包含预测具有α-螺旋二级结构并形成卷曲螺旋的区域。 S2亚基是蛋白质中最保守的区域，而S1亚基即使在单个冠状病毒的种间也有序列差异。 S1包含两个子域，一个N末端域（NTD）和一个C末端域（CTD）。 两者都能够充当受体结合结构域（RBD），并结合各种蛋白质和糖。

冠状病毒刺突蛋白在其S2结构域中包含两个七肽重复序列，这是I类病毒融合蛋白的典型特征。七肽重复序列包含一个重复的七肽abcdefg，其中a和d为疏水残基，代表参与融合过程的卷曲螺旋的形成。对于SARS-CoV和MHV，HR的融合后结构已得到解决； 它们形成了特征性的六螺旋束。通过突变关键残基和使用HR2肽的抑制实验，证实了MHV和SARS-CoV HR的功能作用。

SARS-CoV穗状蛋白

SARS-CoV棘蛋白胞外域由S1和S2域组成。 S1结构域包含受体结合结构域，并负责识别并与宿主细胞受体结合。 负责融合的S2域包含推定的融合肽（蓝色）和七肽重复序列HR1（橙色）和HR2（棕色）。 跨膜结构域以紫色表示。 切割位点用箭头指示。

棘蛋白功能

冠状病毒在自然界广泛分布，其人畜共患传播可导致流行病。 在进入呼吸道或胃肠道后，这些病毒通过进入并感染管腔巨噬细胞和上皮细胞而建立自身。 这些病毒的细胞进入程序由结合细胞受体并介导病毒-细胞膜融合的病毒刺突（S）蛋白精心策划。以SARS-CoV为例。 SARS-CoV的刺突蛋白（S蛋白）在病毒感染和发病机理中具有关键作用。 S1识别并结合宿主受体，并且S2中随后的构象变化促进病毒包膜和宿主细胞膜之间的融合。

描绘S介导的膜融合事件的模型已扩展到S蛋白结构和功能的知识。在某种程度上，这些模型被认为是合理的，因为SARS和MHV S蛋白中的融合后6-HB构象非常类似于流感HA2，副粘病毒F2，伊波拉病毒GP2和HIV gp41的融合后形式。 与这些被更广泛研究和充分理解的病毒融合蛋白类似，CoV S介导的膜融合过程通常如图3所示。

CoV棘蛋白介导的膜融合

CoV刺突蛋白介导的膜融合。代表了膜融合过程中可能发生的S蛋白构象变化的几个步骤。 第一步，受体结合，pH降低和/或S蛋白蛋白水解诱导S1与S2分离。 对于某些MHV，记录了此步骤。 在第二步中，将融合肽（FP）插入宿主细胞膜中。 这是融合中间阶段。 在第三阶段，最接近病毒膜的S蛋白部分重新折叠到七肽重复序列1（HR1）核心上，形成六螺旋束（6-HB），这是S2蛋白的最终融合构型。

棘蛋白的疫苗和抗病毒治疗

刺突蛋白（S蛋白）在受体结合和膜融合中的作用表明基于刺突蛋白的疫苗可以诱导抗体阻断病毒结合和融合或中和病毒感染。 在SARS-CoV的所有结构蛋白中，刺突蛋白是主要抗原成分，负责诱导宿主免疫应答，中和抗体和/或抵抗病毒感染的保护性免疫。 因此，棘蛋白被选作冠状病毒疫苗和抗病毒开发的重要靶标。

根据（星岛日报报导）美国科研团队首次绘制出新型冠状病毒一个关键蛋白分子的3D结构，这种蛋白是开发疫苗、治疗性抗体和药物的关键靶点。研究成果周三发表在美国《科学》期刊网站。德州大学奥斯汀分校和美国国家卫生研究院的研究员，根据中国研究员提供的病毒基因组序列，利用冷冻电子显微镜重建了新冠病毒表面的刺突蛋白在原子尺度上的3D构造，分辨率达到零点三五纳米。

研究发现，新冠病毒的棘蛋白结构与SARS冠状病毒的棘蛋白结构非常相近，都将细胞表面的“血管紧张素转化酶2（ACE2）”作为侵入细胞的关键受体。新冠病毒的刺突蛋白与ACE2的亲和力是SARS病毒的10-20倍，这可能与新冠病毒更易于人际传播有关。德州大学奥斯汀分校分子生物科学系副教授麦克莱伦说，他们已将这一结构的原子坐标数据发送给全球多家实验室，其中多数来自中国。

麦克莱伦说，该成果可帮助研究人员展开三方面的工作，第一，展开潜在药物筛查，发现可与这种棘蛋白结合并破坏其功能的小分子；第二，设计可以与棘蛋白结合并抑制其功能的新型蛋白分子或抗体；第三，设计出这种棘蛋白的变体，例如使其拥有更高稳定性，从而诱发更强的免疫反应，以加快疫苗开发。

特征分析

MERS中东呼吸道症候群病毒

1. 2012年以来中东呼吸症候群病毒流行以来，棘蛋白氨基酸序列呈现出一定的地域性特点，其中来自法国的人源棘蛋白序列之间的同源性为99.70%～100%，来自阿拉伯联合大公国的棘蛋白序列之间的同源性为99.63%～100%，来自2014年阿拉伯联合大公国的棘蛋白序列在同一进化树分枝上。
2. 来自沙乌地阿拉伯的人源棘蛋白序列未表现出时间上的差异，2013、2014和2015年分离株棘蛋白的同源性为99.63%～100%，但是来自沙乌地阿拉伯的棘蛋白与来自法国和阿拉伯联合大公国的棘蛋白区别明显；在进化树上，来自沙乌地阿拉伯的呼吸综合症病毒棘蛋白氨基酸序列并没有完全聚在相同的进化分枝上，而是分散在相对集中的不同分枝上。
3. 2014年3、5、6月来自美国的3条棘蛋白序列之间的同源性为99.70%～99.85%低于和来自沙乌地阿拉伯的人源棘蛋白之间的同源性（99.70%～100%）。
4. 不同宿主间来源株的棘蛋白序列之间无明显区别，其中单峰驼来源的棘蛋白序列间的同源性为98.15%～100%，其与人源棘蛋白序列之间的同源性为99.56%～100%，单峰驼源的棘蛋白序列在进化树上分散在沙乌地阿拉伯人源棘蛋白分枝上。
5. 英格兰分离株棘蛋白之间的同源性为99.70%～99.933%，低于和分离较晚的几条源于沙乌地阿拉伯的人源棘蛋白之间的同源性（100%），而与分离较早的来自沙乌地阿拉伯的棘蛋白氨基酸序列的同源性较低 （99.78%～99.93%），且分散在不同的分枝上。
6. 来源于韩国分离株的一棘蛋白与其他棘蛋白之间的同源性最高为99.78%，处于单独分支上。
7. 来自中国分离株的棘蛋白序列与来自英格兰以及沙乌地阿拉伯部分人源棘蛋白蛋白序列同源性为100%。
8. 地区间中东呼吸综合症病毒棘蛋白的同源性很高，达98.15%～100%，说明棘蛋白氨基酸序列非常保守。流行的中东呼吸综合症冠状病毒在同一地域内有多种不同的病毒株流行，多地可能同时存在中东呼吸症候群流行，也同时存在地区间输入性快速传播；同一地区不同年份病毒的棘蛋白变异不明显，不同宿主间的病毒棘蛋白序列无显著差别。

Coronavirus SARS-CoV-2 structure

Coronavirus spike proteins冠状病毒棘蛋白(刺突蛋白)

Viral Counterpoint of the Coronavirus Spike Protein冠状病毒穗蛋白的病毒对立面