NTD的深度研究，为厘清新冠病毒机理提供新方向！

编者按：由严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）引起的新冠病毒 COVID-19 席卷全球，对人们的生命健康带来了严重的损害。全球的科学家团队自疫情爆发开始，就一直在对该病毒的传染源、毒株、侵染机理等方面展开全面的研究。在此期间，微软亚洲研究院和清华大学生命科学学院的科研人员深度合作交流，利用强大的计算平台和改进的分子动力学模拟算法，研究了新冠病毒关键结构域 NTD 对于 S 蛋白构象转变和病毒侵染的机理。 

近日，研究团队在著名期刊《Advanced Theory and Simulations》上发表了封面文章，首次提出了新冠病毒关键结构域 NTD 在病毒侵染过程中发挥调控作用的“楔形”模型，并鉴定出了潜在的药物靶点，为新冠的侵染机理研究和疾病治疗提供了潜在的应用新方向。

新冠病毒 COVID-19 是由严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）引起的。与 SARS-CoV 和 MERS-CoV 等其他 β 冠状病毒类似，SARS-CoV-2 是一种包膜正链 RNA 病毒。此外，SARS-CoV-2 与 SARS-CoV 有高度的同源性，都具有相同的人类细胞受体——血管紧张素转换酶2（ACE2）。世界范围内的科学家在完成 SARS-CoV-2 基因组测序后，研究重点就集中在阐明感染的过程和寻找潜在的治疗方法上。通过实验解析确定的 Spike (S) 蛋白、Main 蛋白酶、RNA 依赖聚合酶以及 S 蛋白与 ACE2 形成的复合物的结构提供了 SARS-CoV-2 原子水平的细节。

与此同时，通过进化分析，人们已经在计算中努力提高了对感染机制的理解。根据以往的研究，感染的第一步是 S 蛋白附着在 ACE2 上。其中，同源三聚体 S 蛋白位于病毒膜表面，每个单体由两个区域 S1 和 S2 组成，分别负责受体结合和膜融合。S1 由受体结合结构域（RBD）和 n 端结构域（NTD）组成。通过其他冠状病毒感染模型，可以得知 ACE2 和 S 三聚体的关联触发了一系列的分子事件，包括 S1 的脱落、S2 的折叠以及随后病毒和宿主细胞膜的融合。

SARS-CoV-2 S 蛋白有多种构象，其中 RBD 方向不同导致了病毒与 ACE2 结合亲和力的不同。三个 RBD 都向下的闭合状态的 S 蛋白无法与 ACE2 结合，而一个 RBD 向上的 S 蛋白能够结合受体并开启感染过程。最近，低温电子显微镜（Cryo-EM）检测到两个 RBD 向上的半开放状态和三个 RBD 向上的开放状态，但是相应的高分辨率结构尚未被解析出来。

随着 S 蛋白的更多原子细节被揭示，RBD 的功能作用逐渐清晰。但是，S 蛋白中另一个重要的组成部分 NTD 在感染过程中的贡献仍然难以捉摸。在 MERS 冠状病毒中，靶向 NTD 表位的中和单克隆抗体 7D10 通过空间位阻阻止 RBD 与其细胞受体 DPP4 结合。有趣的是，在 SARS-CoV-2 中，一种单克隆抗体 4A8 直接与 NTD 相互作用，而不阻断 RBD-ACE2 的结合，但仍表现出中和作用。最近，在 S 蛋白的 D614G 变体中，检测到明显的 NTD 运动伴随着 RBD 的构象变化。这些研究表明，NTD 至少并非完全独立于 S 蛋白中 RBD 的功能构象改变，因此可能参与了病毒感染的调控。

NTD 在 SARS-CoV-2 的 S 蛋白构象变化中发挥调控功能示意图

为了研究 NTD 对于 S 蛋白构象转变和病毒侵染的机理，微软亚洲研究院和清华大学生命科学学院的科研人员们展开了深度合作，在著名期刊《Advanced Theory and Simulations》上发表了封面文章：“Exploring the Regulatory Function of the N-terminal Domain of SARS-CoV-2 Spike Protein Through Molecular Dynamics Simulation”。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adts.202100152

期刊《Advanced Theory and Simulations》

在该论文中，研究员们通过利用强大的计算平台和改进的分子动力学模拟算法，首次提出了新冠病毒关键结构域 NTD 在病毒侵染过程中发挥调控作用的“楔形”模型，鉴定出潜在的药物靶点，为新冠的侵染机理研究和疾病治疗提供了潜在的应用新方向。

分子动力学（MD）模拟是一种理解大分子行使功能过程中构象动态转变的计算工具，特别是可以补充 x 射线晶体学和 Cryo-EM 等实验方法提供的静态空间信息。在研究工作中，研究员们对 S 蛋白全部的四种构象进行了 MD 模拟，分别对应于 S 蛋白的封闭、部分开放、半开放和开放状态。

同时，研究员们也进行了数十亿步的计算模拟，彻底地采样 NTD 和 RBD 之间的相对运动。根据研究，研究员们提出了 NTD 作用于 S 蛋白构象变化的“楔形模型”：当 NTD 向 S 蛋白中心轴运动时，会像一个“楔子”插入 RBD 与 S 蛋白中心轴下方区域，阻止了 RBD 的向下运动，维持 RBD 向上的姿态，从而保证了病毒与 ACE2 结合的位点。而当 NTD 向外运动时，处于向上构象的 RBD 会迅速变成向下构象，形成闭合的 S 蛋白结构，完成了 S 蛋白从部分开放构象到关闭构象的转变过程。

基于 NTD 的这种“楔形”效应，研究员们筛选了增强 NTD-RBD 界面的潜在药物，虽然这可能会阻止 RBD 的结构转变，但这是病毒感染所必需的。研究员们又对药物数据库 ZINC 中已经批准上市或处于临床阶段的9800种药物化合物进行了虚拟筛选，选出了多种具有高亲和性并结合于 NTD-RBD 结合界面的药物分子。此外，研究员们也对中草药数据库 TCMSP 中从中药提取的14249个化合物进行了虚拟筛选。

有趣的是，筛选出与 NTD-RBD 作用界面结合的高亲和性化合物很多都是中国国家卫生健康委员会推荐的治疗 COVID-19 的处方成分。例如“清肺排毒汤”中，共检测到8个中药中的18个化合物具有较高的结合亲和力。这些结果表明，中药处方中的有效成分可能通过靶向 S 蛋白的 NTD 来实现其医疗效果。也因此说明，本文开展的相关研究，为治疗新冠病毒的药物研发，提供了一定的参考价值。

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