編輯丨王多魚
排版丨水成文
在包膜病毒入侵宿主細胞的過程中，一些病毒能夠藉助其表面蛋白介導其包膜與宿主細胞膜融合，進而將遺傳物質注入細胞開啟感染程序。膜融合是病毒建立感染的關鍵環節之一。在冠狀病毒家族中，這一環節由病毒表面刺突蛋白（Spike Protein，S 蛋白）介導完成。以新冠病毒（SARS-CoV-2）為例，S1 亞基產生構象變化，進而暴露出其受體結合域（RBD），並透過該結構域結合細胞受體。S1 亞基與細胞受體的結合會觸發 S1 亞基解離，當 S2 亞基中蛋白酶水解位點（S2）被宿主蛋白酶切割後，S2 亞基中的融膜肽（FP）彈出並插入宿主細胞膜，以此啟動膜融合。最終，HR1 形成三螺旋束， HR2 則摺疊成螺旋狀，並與 HR1 三螺旋緊密結合，形成穩定的六螺旋束，促使病毒包膜與宿主細胞膜完成融合。
近年來，眾多研究團隊成功揭示了 SARS-CoV、MERS-CoV、SARS-CoV-2 以及其他一些冠狀病毒 S 蛋白的 RBD 與受體結合的複合物構象，以及 S 蛋白三聚體與受體結合的融合前構象。姜世勃、陸路等研究團隊也發現了 MERS-CoV（Nature Communications，2014）、SARS-CoV-2（Cell Research，2020）等 S 蛋白 HR1/HR2 形成六螺旋的融合後構象。
不過，目前仍有一個關鍵問題尚未明確——刺突蛋白從融合前狀態轉變為融合後狀態時，究竟經歷了怎樣的構象變化。雖然已有研究者發現新冠病毒 S2 亞基中間態構象，但是對於早期的融合中間態，特別是介於受體結合和 S1 亞基脫落之間的 S 蛋白構象是否存在，及其變構細節等還一直處於認知盲區。
因此，在膜融合起始階段，出現了一系列亟待解答的重要科學問題。比如，融膜肽如何跨越病毒包膜和細胞膜之間的“長途”距離，有效插入細胞膜；為何 S2 位點切割對於新冠病毒誘導的膜融合起著至關重要的作用；短暫暴露的 S 蛋白融合中間態構象是否存在新的廣譜抗病毒藥物靶點以及能否針對該類靶點設計新型藥物。這些問題成為了該領域一直以來重點關注的焦點。
2025 年 1 月 30 日，復旦大學上海醫學院陸路研究員、孫蕾研究員、姜世勃教授團隊合作，在國際頂尖學術期刊Cell上發表了題為：Early fusion intermediate of ACE2-using coronavirus spike acting as antiviral target 的研究論文。
該研究發現了ACE2受體誘導的冠狀病毒刺突蛋白早期融合中間態構象（E-FIC），並針對該中間態構象設計了高效、廣譜、兼具失活病毒和抑制病毒感染的雙功能抗冠狀病毒候選藥物。
傳統觀點通常認為，冠狀病毒 S1 亞基在結合受體並脫落後，會觸發 S2 亞基構象重排，進而暴露HR1結構域。因此，該研究對新冠病毒S蛋白是否存在介於 ACE2 受體結合和 S1 亞基脫落之間的特殊構象進行了探索。
研究團隊首先利用利用流式細胞術，發現跨膜表達的 S 蛋白在受到 ACE2 蛋白胞外域的刺激後，能夠結合 HR1 抗體或其配體多肽 EK1，而此時 S1 亞基還沒有脫落，提示可能存在一種不同於傳統觀點的早期融合中間態構象。
為了捕獲並直觀地呈現 S 蛋白的這種中間態構象，研究團隊對 S 蛋白與 ACE2 胞外域共孵育產物進行冷凍電鏡顆粒篩選。透過長時間的摸索，研究團隊成功發現並解析了一種高解析度（3.45 Å）的早期融合中間態構象（E-FIC）。在 E-FIC 中，S2 亞基發生了構象轉變，其中 HR1 三螺旋結構彈出，而 S1 亞基組成環狀結構結合在 S2 亞基的底部。透過進一步的結構最佳化和分析，研究團隊發現在 E-FIC S2 亞基的 HR1 上結合著一段氨基酸序列（團隊將其命名為中間態環——IL770）。值得注意的是，S2 位點就位於 IL770 中，且突出於結合表面形成隆起，這種結構特徵有利於蛋白酶的切割。
此外，透過上述構象可以推測蛋白酶對 S2 位點的切割可能觸發 IL770 從 HR1 表面剝脫，從而釋放空間以利於 HR2 結合。透過對融合前和 E-FIC 結構的對比分析，研究團隊發現 S 蛋白結合 ACE2 受體後，S1 亞基和 S2 亞基底部均會向細胞膜方向旋轉以實現病毒膜和細胞膜初步拉近，這將有助於縮短融膜肽插入細胞膜所需的距離（圖1）。
圖1. SARS-CoV-2 S蛋白在誘導膜融合過程中經歷的構象變化
透過對 E-FIC 結構的分析，研究團隊發現，S1 亞基中的 RBD 與 S2 亞基中的 HR1 之間的空間距離被拉近，這一發現為靶向該中間體的藥物設計提供了新思路（圖2）。基於此構象，研究團隊選用了經臨床試驗證明具有較好活性和安全性的 RBD 結合藥物候選（ACE2蛋白）和 HR1 的結合藥物候選（EK1多肽），設計出雙功能域串聯藥物候選。
首先，由於 E-FIC 結構中 HR1 表面被 IL770 所結合，研究者透過競爭性結合實驗發現，EK1 多肽能夠憑藉強大的相互作用從 IL770 中奪取 HR1 進行結合。隨後，為了驗證雙功能域之間最佳連線子長度，研究團隊透過表達含有 2、5、6、7 組連線子的蛋白進行活性篩選，發現由 5 組連線子串聯的蛋白（AL5E）具有最佳靶點結合活性和廣譜性。
後續研究結果表明，上述設計的蛋白類抗病毒活性分子具有雙功能：
1）失活病毒功能：AL5E 蛋白上的 ACE2 功能域誘導遊離病毒表面的 S 蛋白形成融合中間態，該中間態暴露出靠近 ACE2 的 HR1 區，隨後 AL5E 蛋白中的 EK1 功能域與 HR1 三聚體結合，造成病毒 S 蛋白鎖定在融合中間態，使該病毒粒子喪失感染活性；
2）抑制病毒功能：AL5E 蛋白上的 ACE2 功能域和 EK1 功能域也可分別作為抑制劑，抑制病毒對靶細胞的感染。AL5E 對新冠病毒及其變異株的抑制活性比 ACE2 蛋白提高 26 至 623 倍，對遊離病毒的失活活性提高 21 至 754 倍。此外，AL5E 對其他使用 ACE2 受體的冠狀病毒均具有很好的抗病毒效果。
圖2. E-FIC中RBD與HR1之間的空間距離拉近
同時，為了進一步探究所設計的雙功能分子在體內的活性。研究團隊藉助新冠病毒變異株 BA.5.2 和人冠狀病毒 NL63 感染小鼠的模型，分別對 AL5E 蛋白在病毒感染治療和病毒失活方面的效果展開了評估。結果顯示，AL5E 能夠顯著降低小鼠肺臟中病毒載量。
這些研究不僅揭示了冠狀病毒 S 蛋白在膜融合早期階段經歷的構象變化細節，還發現了其中的一些潛在藥物靶點，為深入探索冠狀病毒的膜融合機制及開發新型靶向性廣譜藥物或疫苗提供了新的思路。
復旦大學上海醫學院陸路研究員、孫蕾研究員和姜世勃教授為論文共同通訊作者；復旦大學邢立曉博士後、劉治民博士、王欣玲青年研究員和劉倩瑩博士為論文共同第一作者。
論文連結：
https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00041-8
