李克強(qiáng)總理視察中國醫(yī)科院時(shí)通過透射電鏡觀察新冠病毒及華盛頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)室同型號電鏡

Thermo Scientific Tecnai G2 Spirit

● 疫情快訊

2019新型冠狀病毒（2019-nCoV），因2019年武漢病毒性肺炎（2020年2月11日命名為COVID-19）病例而被發(fā)現(xiàn)，目前感染形勢依然很嚴(yán)峻，疫苗與抗病毒藥物研發(fā)迫在眉睫。數(shù)日前，李克強(qiáng)總理赴中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所，考察疫情防控科研攻關(guān)，電鏡實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人介紹了研發(fā)藥物動(dòng)物模型、病毒傳播途徑研究等情況。

總理為何會(huì)去視察電鏡實(shí)驗(yàn)室

接下來，我們就和大家詳細(xì)地介紹一下電鏡在新冠肺炎戰(zhàn)役中發(fā)揮著怎樣的作用。

助力病毒形態(tài)、

擴(kuò)增過程及病毒傳播途徑的研究

2019年12月，武漢市部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)陸續(xù)出現(xiàn)不明原因肺炎病人。來自多個(gè)小組的科學(xué)家從住院患者那里獲得了病毒樣本。截至2020年1月初，實(shí)驗(yàn)室檢出這種新型病毒電鏡下呈現(xiàn)典型的冠狀病毒形態(tài)。專家組認(rèn)為，本次不明原因的病毒性肺炎病例的病原體初步判定為新型冠狀病毒。下圖為中國疾病預(yù)防控制中心病毒病預(yù)防控制所于1月6日分離的新型冠狀病毒毒株的電鏡照片。疾病預(yù)防控制中心 (CDC)和中國衛(wèi)生部門后來確定并宣布，一種名為武漢冠狀病毒的新型冠狀病毒（2019-nCoV）引起了武漢市的肺炎爆發(fā)。

武漢新型冠狀肺炎病毒電鏡圖片：

單個(gè)新冠病毒顆粒直徑約100nm

（照片來源：國家病原微生物資源庫）

新型冠狀病毒（2019-nCoV）

2019-nCoV屬于套式病毒目，冠狀病毒科， 冠狀病毒屬。2003年的SARS-CoV與2012年的MERS-CoV，及模式病毒小鼠肝炎病毒MHV均屬于 冠狀病毒?！靶虏《九c其它 冠狀病毒的序列基本相似, 其中不同冠狀病毒與宿主細(xì)胞作用的關(guān)鍵spike基因（編碼S-蛋白），有更大的差異性。雖然武漢新型冠狀病毒S-蛋白中與人體ACE2蛋白結(jié)合的5個(gè)關(guān)鍵氨基酸有4個(gè)發(fā)生了變化，但變化后的氨基酸，卻在整體性上完美地維持了SARS-CoV的S-蛋白與ACE2蛋白互作的原結(jié)構(gòu)構(gòu)象。”

冠狀病毒結(jié)構(gòu)圖

病毒是一種非細(xì)胞生命形態(tài)，它的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、和轉(zhuǎn)譯的能力都是在宿主細(xì)胞中進(jìn)行，按照它自己的核酸所包含的遺傳信息產(chǎn)生和它一樣的新一代病毒。緊接著，新一代病毒粒子從受感染細(xì)胞的表面釋放出來。

香港大學(xué)研究人員于1月31日公布首批新型冠狀病毒在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制過程的圖像，他們通過培養(yǎng)受感染細(xì)胞，觀察新型冠狀病毒的生長過程。每個(gè)受感染的細(xì)胞會(huì)衍生出數(shù)以千計(jì)的病毒粒子，從而繼續(xù)感染新細(xì)胞。

利用透射電鏡研究新冠病毒

在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制擴(kuò)增過程

（圖片來源：香港大學(xué)）

（電鏡型號：Thermo Scientific Tecnai G2 20）

助力抗病毒藥物研發(fā)

目前針對新冠肺炎（COVID-19）的治療，并沒有疫苗與抗病毒特效藥，疫情防控刻不容緩，這一形勢急需科學(xué)家加快研發(fā)步伐。揭示2019-nCoV三維結(jié)構(gòu)及其入侵過程是發(fā)現(xiàn)藥物靶點(diǎn)的關(guān)鍵所在，有助于進(jìn)一步設(shè)計(jì)藥物阻斷病毒入侵。

然而，病毒分子量大，且不易結(jié)晶，使其難以通過x-ray和NMR等傳統(tǒng)手段，開展新冠病毒結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。目前科學(xué)家們主要通過x-ray技術(shù)解析了病毒水解酶的結(jié)構(gòu)，但是病毒的完整結(jié)構(gòu)依然未知，后續(xù)科研工作面臨著極大的挑戰(zhàn)。

在藥物與疫苗研發(fā)的關(guān)鍵階段，冷凍電鏡正是解析完整病毒結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵蛋白分子結(jié)構(gòu)的利器。基于電鏡技術(shù)展開的病毒結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，科學(xué)家可以進(jìn)一步確定病毒侵入細(xì)胞的關(guān)鍵蛋白結(jié)構(gòu)與作用位點(diǎn)，從而針對藥物靶點(diǎn)來設(shè)計(jì)藥物，或者根據(jù)病毒的抗原表位信息來指導(dǎo)疫苗的設(shè)計(jì)與研發(fā)。這些研究都將為后續(xù)的疫情防治工作提供重要的科技基礎(chǔ)。

使用冷凍電鏡解析SARS完整病毒顆粒

及S蛋白分子結(jié)構(gòu)的研究案例

SARS病毒冷凍電鏡圖片

（SARS電鏡圖片的引文：Architecture of the SARS coronavirus prefusion spike. Beniac DR, et al. Nat Struct Mol Biol 2006. PMID 16845391）

借助于冷凍電鏡單顆粒技術(shù)，科學(xué)家們使用Vitrobot等對病毒或者病毒的結(jié)構(gòu)蛋白進(jìn)行冷凍制樣后，借助于Krios電鏡及直接電子探測器，科學(xué)家可以迅速獲得樣品的大量高分辨率冷凍電鏡圖片。從這些圖片中，科學(xué)家們能清晰看見病毒表面的刺突糖蛋白（S蛋白）的結(jié)構(gòu)與分布等重要信息。在獲取足夠二維照片之后，科學(xué)家能進(jìn)一步借助Relion等三維重構(gòu)軟件包，迅速解析并獲得病毒高分辨率水平的三維結(jié)構(gòu)?；陔婄R技術(shù)展開的病毒結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，研究人員可以解析得到完整病毒顆粒及S蛋白等關(guān)鍵蛋白的分子結(jié)構(gòu)，并可能捕獲病毒入侵細(xì)胞的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化過程。

我們可以通過科學(xué)家對同屬的SARS病毒S蛋白的分析研究，對未來新冠病毒研究提供簡單科研線索。

S蛋白模擬圖（左）

利用Amira重構(gòu)的S蛋白電鏡圖像的三維結(jié)構(gòu)（右）

在這場沒有硝煙的戰(zhàn)疫中，賽默飛將與科學(xué)家并肩而行，提供疫情防控及藥物研發(fā)所需的解決方案。從藥物研發(fā)到大規(guī)模生產(chǎn)，我們關(guān)注生物制藥的每一步，為打贏疫戰(zhàn)提供堅(jiān)實(shí)的科技基礎(chǔ)。