“我希望這篇文章大家能好好看一看。對于新冠病毒進(jìn)化的思考，它確實給人很多啟迪。”9月19日，在一次學(xué)術(shù)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(jié)構(gòu)圖。
張伯禮說，這是清華一幫搞結(jié)構(gòu)生物學(xué)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(jié)構(gòu)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(jù)報道，該研究得到了中國科學(xué)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(jié)構(gòu)生物學(xué)者顏寧“不要找借口、3天內(nèi)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(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)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(xì)胞》在線發(fā)表清華大學(xué)李賽團隊與李蘭娟院士團隊研究成果《新冠病毒的分子結(jié)構(gòu)》，通過冷凍電鏡斷層成像技術(shù)，把新冠病毒看了個“底兒掉”。
冷凍電鏡?結(jié)構(gòu)解析?聽到這兩個關(guān)鍵詞，科技粉兒可能會覺得：已經(jīng)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(fā)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(zhuǎn)3°拍攝一張照片，總共拍41張，隨后進(jìn)行立體重構(gòu)。”李賽告訴科技日報記者，每旋轉(zhuǎn)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(xiàn)高精度。
這種分布拍攝的方法和醫(yī)學(xué)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(nèi)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(jié)構(gòu)，解出世界上獨一無二解出病毒內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
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(xué)術(shù)“基石”，成就亞洲唯一
“冷凍電鏡不是買來就能進(jìn)行這項工作的。”李賽說，需要針對斷層成像進(jìn)行“精密校準(zhǔn)”，同時輔助結(jié)構(gòu)解析技術(shù)，才能將新冠病毒的亞結(jié)構(gòu)高精度呈現(xiàn)出來。
2018年，經(jīng)顏寧推薦、施一公引進(jìn)，原本在牛津大學(xué)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(jié)構(gòu)。令人聞風(fēng)喪膽的沙拉病毒、裂谷熱病毒都在李賽面前現(xiàn)出真身。
當(dāng)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(zhàn)中接受檢驗。
李賽通過施一公聯(lián)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(dāng)即安排團隊與李賽對接。
通過嚴(yán)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(jīng)過嚴(yán)格程序進(jìn)入清華大學(xué)實驗室。
要給新冠病毒拍攝“透視照”，必須具備常年的病毒研究經(jīng)驗、冷凍電鏡斷層成像技術(shù)、亞納米分辨率結(jié)構(gòu)解析技術(shù)。這個研究領(lǐng)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。
純化后的滅活新冠病毒冷凍電鏡照片。
100TB數(shù)據(jù)高強度分析
繪制新冠病毒“大眾臉”
跑、奔跑、向前奔跑。
輾轉(zhuǎn)獲得病毒毒株后，這就是李賽和團隊的狀態(tài)，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(dá)100TB的高質(zhì)量冷凍電鏡斷層圖像數(shù)據(jù)。
李賽感覺到病毒的猙獰近在咫尺，對科學(xué)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(jìn)程走到計算分析，即用子斷層圖像平均法獲得高分辨率結(jié)構(gòu)。“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(gòu)，將核心特征凝結(jié)起來，最終繪制出新冠病毒“大眾臉”。
2300顆病毒的三維構(gòu)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(jīng)驗積累，5萬個病毒表面的刺突蛋白被挑選出進(jìn)入下一步的蛋白分析。
經(jīng)過整體和局部的綜合分析，新冠病毒“狡詐”本質(zhì)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(zhuǎn)。
“在人類認(rèn)知范圍內(nèi)，首次見識這樣的囊膜病毒。”李賽說，蛋白旋轉(zhuǎn)的特征讓新冠病毒在攻擊細(xì)胞時，可以自由調(diào)整方位，和受體結(jié)合。“見風(fēng)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(gòu)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(tài)一致，反而會規(guī)則地像個球難以附著侵染細(xì)胞。
3路戰(zhàn)隊同題競爭
只有中國團隊把人類認(rèn)知推進(jìn)“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(jīng)有兩個團隊完成了病毒表面地重構(gòu)。這些工作李賽在4月時已經(jīng)完成，但他堅持先不發(fā)表，繼續(xù)挺進(jìn)“深核”。
遺傳物質(zhì)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(dá)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(lǐng)域。”李賽說，在重塑核糖核蛋白復(fù)合物(RNP)時，沒有任何可能的預(yù)期和參考。一切蛋白的構(gòu)象全憑現(xiàn)有的基礎(chǔ)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(jīng)驗，李賽帶著學(xué)生挑選了2萬個核糖核蛋白。
“大多數(shù)需要我親自挑選，因為我們對內(nèi)部蛋白的認(rèn)知實在太少了，而且在病毒體內(nèi)這些蛋白‘像一串葡萄’一樣擁擠在一起，必須高精度區(qū)分，以免誤把其他蛋白的部分圈進(jìn)來。”李賽說。
新冠病毒的囊膜內(nèi)蛋白群日漸清晰，呈現(xiàn)出“巢中蛋”的結(jié)構(gòu)，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(wěn)的姿態(tài)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(guī)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(dá)自己體長100倍的核酸塞進(jìn)體內(nèi)的幾何難題，又加固了體魄以面對人體外變幻莫測的挑戰(zhàn)。
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(guī)則的排列，有助于收納超長RNA;當(dāng)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(zhuǎn)的線軸，高速輸出侵染新的宿主，攻城略地。
只有“洞悉”
才能發(fā)現(xiàn)不一樣的真相
多位學(xué)術(shù)大咖斷言：對于新冠病毒，人類知之甚少。
正因為如此，學(xué)術(shù)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(xué)》雜志發(fā)文展示了中和能力很強。之后，其他團隊卻發(fā)現(xiàn)CR3022對活病毒缺乏中和效應(yīng)。
為什么研究結(jié)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(jié)構(gòu)圖展示給我們：它的表面蛋白會‘變臉’：有抗原暴露狀態(tài)，抗原埋藏狀態(tài)，還有膜融合后態(tài)。體外重組只有模仿出它的‘變臉’才能揭示真規(guī)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(jié)構(gòu)，使其 S1亞基脫落，S2亞基發(fā)生了向膜融合后態(tài)的構(gòu)象變化。”李賽說。
高精度病毒完整結(jié)構(gòu)圖有助于人類開發(fā)出更高效的疫苗。“現(xiàn)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(fā)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(jié)構(gòu)上傳至結(jié)構(gòu)生物學(xué)的數(shù)據(jù)庫EMDB(Electron Microscopy Data Bank)，供全球免費下載，助力開展科普教育、科學(xué)研究、疫苗開發(fā)等工作。
記者 張佳星
