張伯禮、施一公、李蘭娟等齊點贊！新冠病毒“完整結構圖”到底有多牛？
點擊： 作者：張佳星 來源：今日頭條 發布時間:2020-09-25 10:32:31
“我希望這篇文章大家能好好看一看。對于新冠病毒進化的思考，它確實給人很多啟迪。”9月19日，在一次學術研討會上，“人民英雄”國家榮譽稱號獲得者、中國工程院院士張伯禮展示了一張新冠病毒的完整結構圖。
張伯禮說，這是清華一幫搞結構生物學的年輕人做出的工作，看完讓人倒吸涼氣，他們把病毒整個亞結構解得非常清楚。
這是一張什么圖？居然能跨界贏得張伯禮院士打CALL。
不止如此，據報道，該研究得到了中國科學院院士施一公、中國工程院院士李蘭娟的鼎力支持，并受到女神級結構生物學者顏寧“不要找借口、3天內必須寫完論文”的激將式敦促。
9月20日，科技日報記者迫不及待前往清華大學結構生物學高精尖創新中心研究員李賽研究組一探究竟。
給整個病毒做“CT”
從里到外展示“最真顏”
9月15日，《細胞》在線發表清華大學李賽團隊與李蘭娟院士團隊研究成果《新冠病毒的分子結構》，通過冷凍電鏡斷層成像技術，把新冠病毒看了個“底兒掉”。
冷凍電鏡？結構解析？聽到這兩個關鍵詞，科技粉兒可能會覺得：已經火了好些年、還能有什么新東西、不就是換個材料再做一次……
然而，新科技的發展，總能讓人直呼“知識貧瘠限制了想象”！
“我們把新冠病毒放在冷凍電鏡下，每旋轉3°拍攝一張照片，總共拍41張，隨后進行立體重構。”李賽告訴科技日報記者，每旋轉一次都必須與上一次保持高度吻合，些微的橫向偏差都難以實現高精度。
這種分布拍攝的方法和醫學CT成像原理類似，不同的是前者使用電子衍射成像，而后者使用X射線衍射成像。
俗話說“知人知面不知心”。李賽卻堅持解析病毒的“心”。團隊在病毒內部“打手電”，穿過新冠病毒的囊膜，直擊里層的RNA和它的纏繞結構，解出世界上獨一無二解出病毒內部結構。
審稿人在評審意見里稱贊：這項工作展示了迄今為止我所見過的最完整新冠病毒形象！
李賽和第一作者宋雨桐在實驗室。
3個學術“基石”，成就亞洲唯一
“冷凍電鏡不是買來就能進行這項工作的。”李賽說，需要針對斷層成像進行“精密校準”，同時輔助結構解析技術，才能將新冠病毒的亞結構高精度呈現出來。
2018年，經顏寧推薦、施一公引進，原本在牛津大學的李賽回到清華，組建自己的實驗室。
在此之前，李賽見識、解析過更為烈性的4級病毒，也為多個3級病毒拆解結構。令人聞風喪膽的沙拉病毒、裂谷熱病毒都在李賽面前現出真身。
當新冠病毒襲來，李賽坐不住了，他明白自己幾年來辛苦搭建的平臺和團隊要在爭分奪秒的實戰中接受檢驗。
李賽通過施一公聯系上正在武漢抗疫一線的李蘭娟，希望能夠獲得滅活新冠病毒以供電鏡研究。李蘭娟院士當即安排團隊與李賽對接。
通過嚴格的多聚甲醛滅活，新冠病毒雖然“死透了”，但還能保持活著的原貌。隨后，滅活病毒經過嚴格程序進入清華大學實驗室。
純化后的滅活新冠病毒冷凍電鏡照片。
要給新冠病毒拍攝“透視照”，必須具備常年的病毒研究經驗、冷凍電鏡斷層成像技術、亞納米分辨率結構解析技術。這個研究領域在國際上非常前沿，李賽實驗室目前是亞洲唯一具備該能力的研究團隊。
100TB數據高強度分析
繪制新冠病毒“大眾臉”
跑、奔跑、向前奔跑。
輾轉獲得病毒毒株后，這就是李賽和團隊的狀態，他們的周工作時長超過120小時。4月，團隊順利采集了兩批高達100TB的高質量冷凍電鏡斷層圖像數據。
李賽感覺到病毒的猙獰近在咫尺，對科學的求真和為人民找到答案的使命感催促他分秒不停。
研究進程走到計算分析，即用子斷層圖像平均法獲得高分辨率結構。“囊膜病毒與非囊膜病毒的最大不同是，前者千毒千面，后者像模具壓制。”李賽說，囊膜病毒對于人類的危害更大。
千毒千面的病毒，哪些是最核心的特性呢？必須通過對病毒重構，將核心特征凝結起來，最終繪制出新冠病毒“大眾臉”。
2300顆病毒的三維構像中，哪些刺突蛋白是極具代表性的？李賽和團隊開始人工挑揀，這是一項極具“匠人”特性的工作，全憑研究人員過往對于其他病毒研究的經驗積累，5萬個病毒表面的刺突蛋白被挑選出進入下一步的蛋白分析。
經過整體和局部的綜合分析，新冠病毒“狡詐”本質顯露無疑——表面刺突蛋白非常少，平均不到30個，卻可以自由游走、旋轉。
“在人類認知范圍內，首次見識這樣的囊膜病毒。”李賽說，蛋白旋轉的特征讓新冠病毒在攻擊細胞時，可以自由調整方位，和受體結合。“見風使舵”的特性讓它極具傳染性。
稀疏的表面蛋白以及蛋白的3種不同構象也給了病毒“荊棘種子”般的抓力，如果刺突蛋白太密或形態一致，反而會規則地像個球難以附著侵染細胞。
3路戰隊同題競爭
只有中國團隊把人類認知推進“深核”
沒有比較，不知深度。
6月，顏寧給李賽打電話時，國際上已經有兩個團隊完成了病毒表面地重構。這些工作李賽在4月時已經完成，但他堅持先不發表，繼續挺進“深核”。
遺傳物質決定生命體的性狀，冠狀病毒擁有目前已知所有RNA病毒中最長的RNA，其核苷酸達近3萬個，是如何做到的？
李賽團隊的目光投向收納RNA的骨架蛋白。
“這些是迄今為止無人研究的領域。”李賽說，在重塑核糖核蛋白復合物（RNP）時，沒有任何可能的預期和參考。一切蛋白的構象全憑現有的基礎知識。就好比探險卻沒有尋寶圖。
但憑借縝密地思維和過往的經驗，李賽帶著學生挑選了2萬個核糖核蛋白。
“大多數需要我親自挑選，因為我們對內部蛋白的認知實在太少了，而且在病毒體內這些蛋白‘像一串葡萄’一樣擁擠在一起，必須高精度區分，以免誤把其他蛋白的部分圈進來。”李賽說。
新冠病毒的囊膜內蛋白群日漸清晰，呈現出“巢中蛋”的結構，由于它們收納著RNA，就像孕育著病毒邪惡的生命一樣，那靜謐安穩的姿態與囊膜外刺突蛋白的張牙舞爪大相徑庭。
在新冠病毒的“老巢”，超長RNA致密纏繞，蛋白為RNA提供了超強規則感的骨架，它們貼著囊膜以六聚體的“鳥巢”方式排列，在球心位置又以正四面體的“金字塔型”排列。就這樣，新冠病毒既解決了將可達自己體長100倍的核酸塞進體內的幾何難題，又加固了體魄以面對人體外變幻莫測的挑戰。
人類的建筑大師看到這一幕可能也會禁不住贊嘆“鬼斧神工”。
“核蛋白規則的排列，有助于收納超長RNA；當病毒攻擊宿主后，又能夠有序地把RNA釋放出去，不至于有所缺損。”李賽說，可以試想它們攻擊時演變成旋轉的線軸，高速輸出侵染新的宿主，攻城略地。
只有“洞悉”
才能發現不一樣的真相
多位學術大咖斷言：對于新冠病毒，人類知之甚少。
正因為如此，學術界對不同問題有不同的答案。
例如，一種被命名為CR3022的中和抗體對新冠病毒的抑制能力。3月，《科學》雜志發文展示了中和能力很強。之后，其他團隊卻發現CR3022對活病毒缺乏中和效應。
為什么研究結果會相互矛盾？原來前者中和試驗使用的是體外重組的病毒蛋白，而后者用的是或病毒。
“高精度的新冠病毒完整結構圖展示給我們：它的表面蛋白會‘變臉’：有抗原暴露狀態，抗原埋藏狀態，還有膜融合后態。體外重組只有模仿出它的‘變臉’才能揭示真規律。”李賽說。
李賽的研究還為之前的研究做了糾偏和補充。例如，今年3月對外公布的第一張新冠病毒的冷凍電鏡照片中，病毒的刺突蛋白幾乎全是針狀的。
“這可能是由于對活病毒的滅活處理破壞了病毒本身的蛋白結構，使其 S1亞基脫落，S2亞基發生了向膜融合后態的構象變化。”李賽說。
高精度病毒完整結構圖有助于人類開發出更高效的疫苗。“現用滅活疫苗的滅活方法可能無法給病毒的刺突蛋白留下‘全尸’，這理論上會影響其激發中和抗體的有效性。”李賽說，這些都是可以更深入研究的工作。
李賽團隊已將新冠病毒高清三維結構上傳至結構生物學的數據庫EMDB（Electron Microscopy Data Bank），供全球免費下載，助力開展科普教育、科學研究、疫苗開發等工作。
來源：科技日報 文中圖片由清華大學李賽實驗室提供 科技日報記者 張佳星
責任編輯：向太陽
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