最近，一種由新型冠狀病毒 2019-nCoV 引起的 COVID-19 肺炎疫情在全球暴發。為了更好地控制疫情的蔓延，亟需對 2019-nCoV 的來源、傳播和致病機制進行深入研究。刺突（spike）蛋白是冠狀病毒表面特有的結構蛋白，包含了冠狀病毒自然演化的重要信息，并在病毒識別和入侵人體細胞的過程中起到關鍵作用。最近十幾年，在對與人類密切相關的冠狀病毒的研究中，spike 蛋白一直是最為重要的研究對象之一。而在 COVID-19 肺炎疫情暴發后，2019-nCoV 病毒表面的 spike 蛋白也迅速成為研究的焦點。本文旨在通過介紹 spike 蛋白相關研究，以期為當前疫情的防控以及 COVID-19 的診斷和治療提供合理的研究思路。
引用本文： 陳詠竹, 邱峰. 刺突蛋白與新型冠狀病毒的檢測和治療. 生物醫學工程學雜志, 2020, 37(2): 246-250. doi: 10.7507/1001-5515.202002050 復制
引言
2019 年 12 月底，中國武漢出現了新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的傳染病疫情。我國醫療和科研工作者迅速作出響應，很快鑒定出該傳染病是由一種新型冠狀病毒（暫命名為 2019-nCoV 或 SARS-CoV-2）對肺部的感染引起的。和 2002 年出現于香港的非典病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV）、2012 年出現于沙特的中東熱病毒（Middle East respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV）一樣，2019-nCoV 屬于套式病毒目、冠狀病毒科、冠狀病毒屬，是目前已知的第七種感染人類的冠狀病毒。由于這是一種全新的病毒，人們對于其來源和傳播方式、致病的機制和臨床表現不夠了解，加上其具有較強的傳染性，使得疫情在暴發后迅速蔓延至世界各地。目前除了中國以外，在亞洲的韓國、日本和伊朗，歐洲的意大利、法國、德國和西班牙，以及北美洲的美國，均已出現較為嚴重的疫情。
隨著我國疫情防控工作的積極展開，越來越多的患者得到診治，COVID-19 的流行病學特征已得到全面的了解，疫情在我國也逐漸得到了控制[1]。但是，疫情在全球范圍內的流行形勢仍然嚴峻。此外，2019-nCoV 的來源是什么、為什么它具有如此強的傳播能力以及如何用藥物有效地預防和治療 COVID-19 等諸多問題，仍然亟待解答。想要回答這些問題，就必須從 2019-nCoV 本身入手進行深入的研究。
作為一種冠狀病毒，2019-nCoV 表面的刺突（spike，S）蛋白是一種非常重要的標志性蛋白。以往研究表明，一個冠狀病毒的 S 蛋白，往往包含了該病毒的來源、致病性、致病機制和治療方法等潛在信息，是冠狀病毒研究中的重要對象。本文將對冠狀病毒鑒定、診斷和治療中與 S 蛋白相關的研究進展進行綜述，為在今后針對 2019-nCoV 的 S 蛋白開展相關研究提供思路。
1 冠狀病毒 S 蛋白
成熟的冠狀病毒有 4 種結構蛋白，由內向外，包括結合基因組 RNA 形成核衣殼的核（nucleocapsid，N）蛋白、參與包膜形成的小包膜（envelop，E）蛋白、包膜（membrance，M）蛋白以及位于包膜表面形成刺狀突起的 S 蛋白。S 蛋白是一種糖蛋白，一般由 1 160～1 400 個氨基酸殘基組成，并含有多個 N-糖基化位點，是介導冠狀病毒識別、侵染宿主細胞的重要元件。
由冠狀病毒基因組 RNA 編碼的 S 蛋白，通常在病毒組裝過程中被剪切為球狀的 S1 亞基和棒狀的 S2 亞基。其中 S1 亞基暴露于包膜表面，是識別、結合宿主細胞表面受體的重要部位；S2 亞基嵌于包膜內，是介導病毒包膜與宿主細胞膜融合、實現病毒入侵的關鍵結構。以 SARS-CoV 為例，S1 亞基中的受體結合域（receptor binding domain，RBD）與宿主細胞表面受體血管緊張素轉化酶 2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）結合，同時引起包膜內 S2 亞基結構改變，暴露出 S2 亞基中的融合肽段（fusion peptide，FP），使其能夠插入宿主細胞的細胞膜內[2]。鑒于上述功能，S 蛋白決定了冠狀病毒的宿主、組織嗜性及其侵染、致病的能力，因此也成為鑒定冠狀病毒種屬以及診斷、治療冠狀病毒感染的重要靶點。
2 S 蛋白與冠狀病毒的鑒定
2.1 S 蛋白決定冠狀病毒形態
病毒顆粒的顯微形態，是對未知病毒進行鑒定、分類的最重要的標準之一。冠狀病毒是具包膜的正鏈單股 RNA 病毒，直徑約為 80～120 nm。在成熟冠狀病毒的表面，S 蛋白以三聚體的形式形成花冠狀結構，是冠狀病毒區別于其他病毒的重要形態特征，冠狀病毒也由此而得名。因此，由 S 蛋白在病毒表面形成的花冠狀結構的存在，是從形態學上鑒定冠狀病毒的金標準之一。例如，COVID-19 疫情暴發后，國家病原微生物資源庫于 2020 年 1 月 24 日發布的第一株 2019-nCoV 病毒毒種信息中，就包含了其花冠狀結構清晰可見的透射電子顯微鏡圖像，以此為鑒定依據，將其歸屬為冠狀病毒 β 屬。同樣，相繼在其他國家被鑒定出來的 2019-nCoV 病毒，也是以 S 蛋白形成的花冠狀結構為典型標志[3]。
2.2 S 蛋白的序列分析
除了在形態學上決定冠狀病毒的分類學歸屬外，S 蛋白也是病毒在演化過程中最容易發生變異的區域。在 S 蛋白序列中發生的變異，決定了一個新的冠狀病毒與其他同屬病毒的區別，同時也可能包含了其演化來源的潛在信息，對于未知病毒的鑒定有著重要的意義。因此，對于剛剛出現的 2019-nCoV 病毒，研究者們在用生物信息學手段對其基因組進行分析的時候，也都把 S 蛋白的序列分析作為研究的重點。例如，Xu 等[4]將 2019-nCoV 與 SARS-CoV 的序列進行比對，發現二者有較高的同源性，而 2019-nCoV 中發生變異的區域主要集中在 S 蛋白。通過對 S 蛋白進行建模，推測出 2019-nCoV 具有較高的在人群中傳播的風險。Li 等[5]通過全基因組序列的比對，尤其是 S 蛋白基因的比對，發現與兩種來源于穿山甲的冠狀病毒相比，一種來源于蝙蝠的冠狀病毒與 2019-nCoV 在進化史上更為接近，從而判斷蝙蝠更有可能是 2019-nCoV 向人類傳播的中間宿主。而 Ji 等[6]通過對 S 蛋白的基因序列進行分析，發現 2019-nCoV 似乎是來源于蝙蝠冠狀病毒與未知冠狀病毒在 S 蛋白上的同源重組。基于相對同義密碼子使用偏好，他們推測 S 蛋白上發生的這些重組可能促進了病毒由蛇向人的傳播。這些針對 S 蛋白的序列分析，為鑒定 2019-nCoV 的來源、推測其致病性提供了重要線索。
2.3 S 蛋白的三維結構
眾所周知，蛋白質的功能最終取決于其三維空間結構。對于新出現的 2019-nCoV，快速解析其各種重要結構蛋白的三維結構，能夠為研究其侵染人體細胞的機制提供關鍵的線索。最近 Wrapp 等[7]報道了 2019-nCoV 病毒的 S 蛋白的首個冷凍電鏡結構，基于該結構，他們發現 2019-nCoV 的 S 蛋白與受體 ACE2 的結合能力比 SARS-CoV 更強，這或許解釋了為什么 2019-nCoV 具有比 SARS-CoV 更強的傳播能力。因此，在后續的研究中，利用蛋白質晶體學、冷凍電鏡等方法研究 S 蛋白的精細三維結構，尤其是在其與宿主細胞表面受體結合過程中的結構變化，將是非常重要的研究方向。
3 S 蛋白與冠狀病毒的診斷
3.1 基于核酸聚合酶鏈式反應檢測的診斷
2019-nCoV 病毒感染人體后，雖然通常會導致發熱、咳嗽、肺部炎癥等臨床癥狀，但在不同個體中表現出較大的癥狀差異，甚至有許多被感染者在早期無任何臨床癥狀。因此，在 2019-nCoV 的診斷中，針對病毒核酸分子的各種聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）檢測方法仍然是應用最為廣泛的分子診斷方法。對于新出現的 2019-nCoV，目前已有相應的 PCR 檢測技術用于臨床診斷[8-9]。但是 PCR 檢測涉及 RNA 提取、保存等復雜的技術，更需要依賴先進的 PCR 設備和昂貴的試劑，時間、人力和經濟成本都非常高，難以滿足疫情迅速暴發時龐大的檢測量需求。同時由于不能做到即時檢測，RNA 樣品在保存、運輸過程中的降解和污染也會造成漏檢或假陽性。為了彌補核酸 PCR 檢測的不足，基于蛋白質抗原-抗體反應的檢測技術也逐漸受到重視。
3.2 基于 S 蛋白的酶聯免疫吸附試驗
酶聯免疫吸附試驗（enzyme-linked immune sorbent assay，ELISA）能夠基于特異性的抗原-抗體反應，快速、簡便地進行病原體檢測，具有特異性強、敏感性高的優點，被廣泛應用于許多疾病的診斷。對于冠狀病毒來說，S 蛋白在很大程度上決定了其種屬特異性，因此也是冠狀病毒表面最為重要的抗原決定簇。近年來，針對各種冠狀病毒表面 S 蛋白抗原，研究者們開發了許多用于快速檢測、診斷冠狀病毒感染的方法。例如，Sunwoo 等[10]針對 SARS-CoV 表面的 S1 抗原開發了一種雙特異性單克隆抗體，可用于臨床上對疑似非典患者的診斷。
此外，由于 S 蛋白作為抗原能夠誘導宿主體內產生特異性的抗體，這些特異性的抗體也可作為診斷冠狀病毒感染的靶分子，直接從血清樣品中進行檢測。例如，為了檢測針對豬 δ 冠狀病毒（porcine deltacoronavirus，PDCoV）的特異性 IgG 抗體，Thachil 等[11]以 PDCoV 的 S 蛋白的 S1 亞基為包被抗原，建立了間接 ELISA 法，敏感性達到 91%，特異性達到 95%。Zhao 等[12]針對抗馬冠狀病毒 S1 亞基的抗體建立了一套 ELISA 檢測方法，能夠有效診斷馬冠狀病毒感染。
這些研究證實了基于 S 蛋白抗原-抗體反應的 ELISA 檢測在冠狀病毒診斷中的有效性。相比于基于核酸的 PCR 檢測技術，ELISA 檢測更加快速簡便，并且能夠即時、直接地對血清樣品進行檢測，具有獨特的優勢。因此，在當前疫情的防控中，針對 2019-nCoV 的 S 蛋白開發有效的 ELISA 檢測試劑盒將是一個非常重要的方向。
4 S 蛋白與冠狀病毒的治療
對于感染人類的 SARS-CoV、MERS-CoV 以及當前暴發的 2019-nCoV 等病毒，目前尚無特效藥物上市，臨床治療基本以支持治療、輔助藥物治療為主。而目前在研的藥物主要分為三大類，第一類是抑制病毒復制、組裝以及與宿主細胞融合等過程的抗病毒藥物，第二類是針對病毒表面蛋白的抗體藥物，第三類是基于病毒表面蛋白的疫苗。
4.1 抑制 S 蛋白裂解的抗病毒藥物
抗病毒藥物通常是通過抑制病毒復制、組裝及與宿主細胞融合過程中所需的酶來達到抑制病毒的目的。由冠狀病毒基因組 RNA 表達的 S 蛋白，需要在宿主細胞內被蛋白酶裂解為 S1 和 S2 兩個亞基，這一過程通常發生在病毒組裝或其與宿主細胞融合的過程中。因此對 S 蛋白裂解所需的相關蛋白酶進行抑制，就能有效抑制冠狀病毒的增殖或侵染。目前，用于抑制 S 蛋白裂解的藥物有抑制跨膜蛋白酶絲氨酸 2（transmembrane protease serine 2，TMPRSS2）活性的卡莫司他（Camostat）和萘莫司他（Nafamostat）以及抑制組織蛋白酶 L（Cathepsin L）活性的替考拉寧（Teicoplanin）等[13-15]。此外，最近有研究發現，2019-nCoV 的 S 蛋白中含有獨特的弗林蛋白酶（Furin）切割位點，提示可針對 Furin 這一潛在的靶點，開發相應的抑制劑來治療 2019-nCoV 感染[16]。
4.2 基于 S 蛋白的抗體和疫苗
S 蛋白與宿主細胞表面蛋白的識別與結合，是冠狀病毒入侵細胞的重要步驟，因此 S 蛋白或其相應的細胞表面受體，也常被作為靶點來制備抗體藥物。S1 亞基中的 RBD 和 S2 亞基中的七肽重復區（heptad repeat，HR）是最常用的兩個抗體藥物靶點。此外，表達于宿主細胞表面的二肽基肽酶 4（dipeptidyl peptidase 4，DPP4）通過 RBD 與 S 蛋白結合，從而介導病毒的入侵，因此也是潛在的抗體藥物靶點。據統計，目前有 10 余種以 S 蛋白或其細胞表面受體為靶點的抗體藥物已進入臨床前動物實驗階段[17]。
另一方面，利用 S 蛋白作為抗原制備冠狀病毒疫苗也是當前的熱點研究領域。Rodon 等[18]用重組 S 蛋白免疫美洲駝，成功地阻斷了 MERS-CoV 在動物中的傳播。Ababneh 等[19]制備了編碼 S1 亞基的腺病毒疫苗，在小鼠實驗中獲得了理想的體液和細胞免疫反應。這些研究提示，基于 S 蛋白研發冠狀病毒疫苗，將是當前 2019-nCoV 和未來其他新型冠狀病毒疫情防控的重要策略。
5 S 蛋白中的短肽片段
隨著蛋白質生物化學與分子生物學的不斷發展，人們逐漸認識到對于一個蛋白質的結構與功能來說，蛋白質序列中一些關鍵的短肽片段往往起著決定性的作用。同樣，在作為冠狀病毒檢測和治療靶點的 S 蛋白中，也有這樣一些關鍵的短肽片段。基于這些關鍵的短肽片段來模擬或調控整個 S 蛋白質的結構和功能，已成為目前冠狀病毒防治中一個重要的研究方向。
5.1 S 蛋白中的抗原表位短肽
抗原表位（epitope）是近年來在分子免疫學領域新興的一個概念，即在一個作為抗原的蛋白質中，有一些特殊的短肽序列，是該抗原蛋白與特定的抗體結合或被人體免疫細胞識別的關鍵片段，這些關鍵短肽片段被稱為抗原表位。對抗原表位進行研究，能夠幫助人們更好地了解一個抗原蛋白的免疫應答和致病機制。而由于 S 蛋白是冠狀病毒表面最為重要的抗原決定簇，對其抗原表位短肽片段的研究尤為重要。吳瑞平等[20]利用噬菌體展示技術構建了 SARS-CoV 病毒 S 蛋白的抗原庫，并分析了其中潛在的抗原表位片段，為預防性疫苗和藥物的開發奠定了基礎。此外，在 MERS-CoV 病毒的 S 蛋白中，也有許多重要的抗原表位片段被鑒定出來[21-23]。
另一方面，利用抗原表位短肽片段來設計疫苗，能夠在避免完整病毒株毒性的同時，直接、準確地獲得特異性的免疫保護，因此也是當前病毒疫苗研究中的熱點。例如，針對前幾年暴發的 SARS-CoV 和 MERS-CoV 病毒，已有許多基于抗原表位片段的多肽疫苗被報道[24-25]。這些研究提示，基于 S 蛋白抗原表位的多肽疫苗，是未來新型冠狀病毒防治的重要策略。而就在最近，Baruah 等[26]用免疫信息學的方法從 2019-nCoV 的 S 蛋白中鑒定出 5 個細胞毒性 T 淋巴細胞（cytotoxic T lymphocyte，CTL）抗原表位和 8 個 B 細胞抗原表位。模擬觀察發現，鑒定出的 CTL 抗原表位能夠與Ⅰ類主要組織相容性復合體結合，表明它們具有產生免疫反應的潛力，為進一步開發 2019-nCoV 多肽疫苗提供了潛在候選短肽片段。
5.2 S 蛋白中的自識別短肽片段
在自然界中，一些以寡聚體或多聚體形式存在的蛋白質，往往是通過蛋白序列中一些能夠自我識別、結合的短肽片段來聚合的，這些短肽被稱為自識別短肽（self-binding peptide，SBP）。典型的 SBP 包括以螺旋形式存在的亮氨酸/異亮氨酸拉鏈[27]、以 β-折疊形式存在的 β-拉鏈[28]，以及主要由芳香族氨基酸組成的芳香拉鏈[29]。人工合成的這些 SBP 片段，能夠對完整蛋白質中相應的 SBP 片段進行識別和結合，因此可以作為探測相應蛋白質的工具或阻斷其功能的藥物。
在冠狀病毒 S 蛋白 S2 亞基的 HR 區，含有典型的亮氨酸/異亮氨酸拉鏈形式的 SBP 片段。這些片段的自我識別在 S 蛋白三聚體的形成以及病毒入侵宿主細胞膜的過程中都具有重要的作用。例如，研究者們從 SARS-CoV 的 S2 亞基的 HR 區中分離出一些 SBP 片段，這些片段能夠特異性地與 S2 亞基結合，從而阻斷 SARS-CoV 病毒包膜與宿主細胞膜的融合，使病毒不能進入細胞，因此是很有潛力的病毒抑制劑[30-31]。此外，Zhang 等[32]從 SARS-CoV 的 S1 亞基中也鑒定出一系列主要以 β-拉鏈形式存在的 SBP 片段。這些片段能夠特異性地識別、結合真核細胞表達的 S 蛋白，有望被開發成為快速鑒定、檢測 SARS-CoV 病毒的新型試劑。
6 展望
總結以往對于 SARS-CoV 和 MERS-CoV 等感染人類的冠狀病毒的研究，以及當前對于新型 2019-nCoV 病毒的研究，不難發現 S 蛋白是冠狀病毒中最值得研究的一個重要蛋白。通過生物信息學、蛋白質分子模擬、高分辨率冷凍電鏡及蛋白質晶體學等技術，能夠揭示 S 蛋白的演化起源、三維結構及其變化、受體識別結合能力等重要信息，從而鑒定 2019-nCoV 病毒的來源，分析其致病性和傳播機制。而基于現代藥物化學、免疫學、基因工程等技術，可以針對 S 蛋白開發 2019-nCoV 病毒的診斷和治療方法。不難預見，在當前 COVID-19 防控相關的基礎研究工作中，以及對于今后可能出現的新型冠狀病毒的研究中，S 蛋白將仍然是值得重點關注的研究對象。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
2019 年 12 月底，中國武漢出現了新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的傳染病疫情。我國醫療和科研工作者迅速作出響應，很快鑒定出該傳染病是由一種新型冠狀病毒（暫命名為 2019-nCoV 或 SARS-CoV-2）對肺部的感染引起的。和 2002 年出現于香港的非典病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV）、2012 年出現于沙特的中東熱病毒（Middle East respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV）一樣，2019-nCoV 屬于套式病毒目、冠狀病毒科、冠狀病毒屬，是目前已知的第七種感染人類的冠狀病毒。由于這是一種全新的病毒，人們對于其來源和傳播方式、致病的機制和臨床表現不夠了解，加上其具有較強的傳染性，使得疫情在暴發后迅速蔓延至世界各地。目前除了中國以外，在亞洲的韓國、日本和伊朗，歐洲的意大利、法國、德國和西班牙，以及北美洲的美國，均已出現較為嚴重的疫情。
隨著我國疫情防控工作的積極展開，越來越多的患者得到診治，COVID-19 的流行病學特征已得到全面的了解，疫情在我國也逐漸得到了控制[1]。但是，疫情在全球范圍內的流行形勢仍然嚴峻。此外，2019-nCoV 的來源是什么、為什么它具有如此強的傳播能力以及如何用藥物有效地預防和治療 COVID-19 等諸多問題，仍然亟待解答。想要回答這些問題，就必須從 2019-nCoV 本身入手進行深入的研究。
作為一種冠狀病毒，2019-nCoV 表面的刺突（spike，S）蛋白是一種非常重要的標志性蛋白。以往研究表明，一個冠狀病毒的 S 蛋白，往往包含了該病毒的來源、致病性、致病機制和治療方法等潛在信息，是冠狀病毒研究中的重要對象。本文將對冠狀病毒鑒定、診斷和治療中與 S 蛋白相關的研究進展進行綜述，為在今后針對 2019-nCoV 的 S 蛋白開展相關研究提供思路。
1 冠狀病毒 S 蛋白
成熟的冠狀病毒有 4 種結構蛋白，由內向外，包括結合基因組 RNA 形成核衣殼的核（nucleocapsid，N）蛋白、參與包膜形成的小包膜（envelop，E）蛋白、包膜（membrance，M）蛋白以及位于包膜表面形成刺狀突起的 S 蛋白。S 蛋白是一種糖蛋白，一般由 1 160～1 400 個氨基酸殘基組成，并含有多個 N-糖基化位點，是介導冠狀病毒識別、侵染宿主細胞的重要元件。
由冠狀病毒基因組 RNA 編碼的 S 蛋白，通常在病毒組裝過程中被剪切為球狀的 S1 亞基和棒狀的 S2 亞基。其中 S1 亞基暴露于包膜表面，是識別、結合宿主細胞表面受體的重要部位；S2 亞基嵌于包膜內，是介導病毒包膜與宿主細胞膜融合、實現病毒入侵的關鍵結構。以 SARS-CoV 為例，S1 亞基中的受體結合域（receptor binding domain，RBD）與宿主細胞表面受體血管緊張素轉化酶 2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）結合，同時引起包膜內 S2 亞基結構改變，暴露出 S2 亞基中的融合肽段（fusion peptide，FP），使其能夠插入宿主細胞的細胞膜內[2]。鑒于上述功能，S 蛋白決定了冠狀病毒的宿主、組織嗜性及其侵染、致病的能力，因此也成為鑒定冠狀病毒種屬以及診斷、治療冠狀病毒感染的重要靶點。
2 S 蛋白與冠狀病毒的鑒定
2.1 S 蛋白決定冠狀病毒形態
病毒顆粒的顯微形態，是對未知病毒進行鑒定、分類的最重要的標準之一。冠狀病毒是具包膜的正鏈單股 RNA 病毒，直徑約為 80～120 nm。在成熟冠狀病毒的表面，S 蛋白以三聚體的形式形成花冠狀結構，是冠狀病毒區別于其他病毒的重要形態特征，冠狀病毒也由此而得名。因此，由 S 蛋白在病毒表面形成的花冠狀結構的存在，是從形態學上鑒定冠狀病毒的金標準之一。例如，COVID-19 疫情暴發后，國家病原微生物資源庫于 2020 年 1 月 24 日發布的第一株 2019-nCoV 病毒毒種信息中，就包含了其花冠狀結構清晰可見的透射電子顯微鏡圖像，以此為鑒定依據，將其歸屬為冠狀病毒 β 屬。同樣，相繼在其他國家被鑒定出來的 2019-nCoV 病毒，也是以 S 蛋白形成的花冠狀結構為典型標志[3]。
2.2 S 蛋白的序列分析
除了在形態學上決定冠狀病毒的分類學歸屬外，S 蛋白也是病毒在演化過程中最容易發生變異的區域。在 S 蛋白序列中發生的變異，決定了一個新的冠狀病毒與其他同屬病毒的區別，同時也可能包含了其演化來源的潛在信息，對于未知病毒的鑒定有著重要的意義。因此，對于剛剛出現的 2019-nCoV 病毒，研究者們在用生物信息學手段對其基因組進行分析的時候，也都把 S 蛋白的序列分析作為研究的重點。例如，Xu 等[4]將 2019-nCoV 與 SARS-CoV 的序列進行比對，發現二者有較高的同源性，而 2019-nCoV 中發生變異的區域主要集中在 S 蛋白。通過對 S 蛋白進行建模，推測出 2019-nCoV 具有較高的在人群中傳播的風險。Li 等[5]通過全基因組序列的比對，尤其是 S 蛋白基因的比對，發現與兩種來源于穿山甲的冠狀病毒相比，一種來源于蝙蝠的冠狀病毒與 2019-nCoV 在進化史上更為接近，從而判斷蝙蝠更有可能是 2019-nCoV 向人類傳播的中間宿主。而 Ji 等[6]通過對 S 蛋白的基因序列進行分析，發現 2019-nCoV 似乎是來源于蝙蝠冠狀病毒與未知冠狀病毒在 S 蛋白上的同源重組。基于相對同義密碼子使用偏好，他們推測 S 蛋白上發生的這些重組可能促進了病毒由蛇向人的傳播。這些針對 S 蛋白的序列分析，為鑒定 2019-nCoV 的來源、推測其致病性提供了重要線索。
2.3 S 蛋白的三維結構
眾所周知，蛋白質的功能最終取決于其三維空間結構。對于新出現的 2019-nCoV，快速解析其各種重要結構蛋白的三維結構，能夠為研究其侵染人體細胞的機制提供關鍵的線索。最近 Wrapp 等[7]報道了 2019-nCoV 病毒的 S 蛋白的首個冷凍電鏡結構，基于該結構，他們發現 2019-nCoV 的 S 蛋白與受體 ACE2 的結合能力比 SARS-CoV 更強，這或許解釋了為什么 2019-nCoV 具有比 SARS-CoV 更強的傳播能力。因此，在后續的研究中，利用蛋白質晶體學、冷凍電鏡等方法研究 S 蛋白的精細三維結構，尤其是在其與宿主細胞表面受體結合過程中的結構變化，將是非常重要的研究方向。
3 S 蛋白與冠狀病毒的診斷
3.1 基于核酸聚合酶鏈式反應檢測的診斷
2019-nCoV 病毒感染人體后，雖然通常會導致發熱、咳嗽、肺部炎癥等臨床癥狀，但在不同個體中表現出較大的癥狀差異，甚至有許多被感染者在早期無任何臨床癥狀。因此，在 2019-nCoV 的診斷中，針對病毒核酸分子的各種聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）檢測方法仍然是應用最為廣泛的分子診斷方法。對于新出現的 2019-nCoV，目前已有相應的 PCR 檢測技術用于臨床診斷[8-9]。但是 PCR 檢測涉及 RNA 提取、保存等復雜的技術，更需要依賴先進的 PCR 設備和昂貴的試劑，時間、人力和經濟成本都非常高，難以滿足疫情迅速暴發時龐大的檢測量需求。同時由于不能做到即時檢測，RNA 樣品在保存、運輸過程中的降解和污染也會造成漏檢或假陽性。為了彌補核酸 PCR 檢測的不足，基于蛋白質抗原-抗體反應的檢測技術也逐漸受到重視。
3.2 基于 S 蛋白的酶聯免疫吸附試驗
酶聯免疫吸附試驗（enzyme-linked immune sorbent assay，ELISA）能夠基于特異性的抗原-抗體反應，快速、簡便地進行病原體檢測，具有特異性強、敏感性高的優點，被廣泛應用于許多疾病的診斷。對于冠狀病毒來說，S 蛋白在很大程度上決定了其種屬特異性，因此也是冠狀病毒表面最為重要的抗原決定簇。近年來，針對各種冠狀病毒表面 S 蛋白抗原，研究者們開發了許多用于快速檢測、診斷冠狀病毒感染的方法。例如，Sunwoo 等[10]針對 SARS-CoV 表面的 S1 抗原開發了一種雙特異性單克隆抗體，可用于臨床上對疑似非典患者的診斷。
此外，由于 S 蛋白作為抗原能夠誘導宿主體內產生特異性的抗體，這些特異性的抗體也可作為診斷冠狀病毒感染的靶分子，直接從血清樣品中進行檢測。例如，為了檢測針對豬 δ 冠狀病毒（porcine deltacoronavirus，PDCoV）的特異性 IgG 抗體，Thachil 等[11]以 PDCoV 的 S 蛋白的 S1 亞基為包被抗原，建立了間接 ELISA 法，敏感性達到 91%，特異性達到 95%。Zhao 等[12]針對抗馬冠狀病毒 S1 亞基的抗體建立了一套 ELISA 檢測方法，能夠有效診斷馬冠狀病毒感染。
這些研究證實了基于 S 蛋白抗原-抗體反應的 ELISA 檢測在冠狀病毒診斷中的有效性。相比于基于核酸的 PCR 檢測技術，ELISA 檢測更加快速簡便，并且能夠即時、直接地對血清樣品進行檢測，具有獨特的優勢。因此，在當前疫情的防控中，針對 2019-nCoV 的 S 蛋白開發有效的 ELISA 檢測試劑盒將是一個非常重要的方向。
4 S 蛋白與冠狀病毒的治療
對于感染人類的 SARS-CoV、MERS-CoV 以及當前暴發的 2019-nCoV 等病毒，目前尚無特效藥物上市，臨床治療基本以支持治療、輔助藥物治療為主。而目前在研的藥物主要分為三大類，第一類是抑制病毒復制、組裝以及與宿主細胞融合等過程的抗病毒藥物，第二類是針對病毒表面蛋白的抗體藥物，第三類是基于病毒表面蛋白的疫苗。
4.1 抑制 S 蛋白裂解的抗病毒藥物
抗病毒藥物通常是通過抑制病毒復制、組裝及與宿主細胞融合過程中所需的酶來達到抑制病毒的目的。由冠狀病毒基因組 RNA 表達的 S 蛋白，需要在宿主細胞內被蛋白酶裂解為 S1 和 S2 兩個亞基，這一過程通常發生在病毒組裝或其與宿主細胞融合的過程中。因此對 S 蛋白裂解所需的相關蛋白酶進行抑制，就能有效抑制冠狀病毒的增殖或侵染。目前，用于抑制 S 蛋白裂解的藥物有抑制跨膜蛋白酶絲氨酸 2（transmembrane protease serine 2，TMPRSS2）活性的卡莫司他（Camostat）和萘莫司他（Nafamostat）以及抑制組織蛋白酶 L（Cathepsin L）活性的替考拉寧（Teicoplanin）等[13-15]。此外，最近有研究發現，2019-nCoV 的 S 蛋白中含有獨特的弗林蛋白酶（Furin）切割位點，提示可針對 Furin 這一潛在的靶點，開發相應的抑制劑來治療 2019-nCoV 感染[16]。
4.2 基于 S 蛋白的抗體和疫苗
S 蛋白與宿主細胞表面蛋白的識別與結合，是冠狀病毒入侵細胞的重要步驟，因此 S 蛋白或其相應的細胞表面受體，也常被作為靶點來制備抗體藥物。S1 亞基中的 RBD 和 S2 亞基中的七肽重復區（heptad repeat，HR）是最常用的兩個抗體藥物靶點。此外，表達于宿主細胞表面的二肽基肽酶 4（dipeptidyl peptidase 4，DPP4）通過 RBD 與 S 蛋白結合，從而介導病毒的入侵，因此也是潛在的抗體藥物靶點。據統計，目前有 10 余種以 S 蛋白或其細胞表面受體為靶點的抗體藥物已進入臨床前動物實驗階段[17]。
另一方面，利用 S 蛋白作為抗原制備冠狀病毒疫苗也是當前的熱點研究領域。Rodon 等[18]用重組 S 蛋白免疫美洲駝，成功地阻斷了 MERS-CoV 在動物中的傳播。Ababneh 等[19]制備了編碼 S1 亞基的腺病毒疫苗，在小鼠實驗中獲得了理想的體液和細胞免疫反應。這些研究提示，基于 S 蛋白研發冠狀病毒疫苗，將是當前 2019-nCoV 和未來其他新型冠狀病毒疫情防控的重要策略。
5 S 蛋白中的短肽片段
隨著蛋白質生物化學與分子生物學的不斷發展，人們逐漸認識到對于一個蛋白質的結構與功能來說，蛋白質序列中一些關鍵的短肽片段往往起著決定性的作用。同樣，在作為冠狀病毒檢測和治療靶點的 S 蛋白中，也有這樣一些關鍵的短肽片段。基于這些關鍵的短肽片段來模擬或調控整個 S 蛋白質的結構和功能，已成為目前冠狀病毒防治中一個重要的研究方向。
5.1 S 蛋白中的抗原表位短肽
抗原表位（epitope）是近年來在分子免疫學領域新興的一個概念，即在一個作為抗原的蛋白質中，有一些特殊的短肽序列，是該抗原蛋白與特定的抗體結合或被人體免疫細胞識別的關鍵片段，這些關鍵短肽片段被稱為抗原表位。對抗原表位進行研究，能夠幫助人們更好地了解一個抗原蛋白的免疫應答和致病機制。而由于 S 蛋白是冠狀病毒表面最為重要的抗原決定簇，對其抗原表位短肽片段的研究尤為重要。吳瑞平等[20]利用噬菌體展示技術構建了 SARS-CoV 病毒 S 蛋白的抗原庫，并分析了其中潛在的抗原表位片段，為預防性疫苗和藥物的開發奠定了基礎。此外，在 MERS-CoV 病毒的 S 蛋白中，也有許多重要的抗原表位片段被鑒定出來[21-23]。
另一方面，利用抗原表位短肽片段來設計疫苗，能夠在避免完整病毒株毒性的同時，直接、準確地獲得特異性的免疫保護，因此也是當前病毒疫苗研究中的熱點。例如，針對前幾年暴發的 SARS-CoV 和 MERS-CoV 病毒，已有許多基于抗原表位片段的多肽疫苗被報道[24-25]。這些研究提示，基于 S 蛋白抗原表位的多肽疫苗，是未來新型冠狀病毒防治的重要策略。而就在最近，Baruah 等[26]用免疫信息學的方法從 2019-nCoV 的 S 蛋白中鑒定出 5 個細胞毒性 T 淋巴細胞（cytotoxic T lymphocyte，CTL）抗原表位和 8 個 B 細胞抗原表位。模擬觀察發現，鑒定出的 CTL 抗原表位能夠與Ⅰ類主要組織相容性復合體結合，表明它們具有產生免疫反應的潛力，為進一步開發 2019-nCoV 多肽疫苗提供了潛在候選短肽片段。
5.2 S 蛋白中的自識別短肽片段
在自然界中，一些以寡聚體或多聚體形式存在的蛋白質，往往是通過蛋白序列中一些能夠自我識別、結合的短肽片段來聚合的，這些短肽被稱為自識別短肽（self-binding peptide，SBP）。典型的 SBP 包括以螺旋形式存在的亮氨酸/異亮氨酸拉鏈[27]、以 β-折疊形式存在的 β-拉鏈[28]，以及主要由芳香族氨基酸組成的芳香拉鏈[29]。人工合成的這些 SBP 片段，能夠對完整蛋白質中相應的 SBP 片段進行識別和結合，因此可以作為探測相應蛋白質的工具或阻斷其功能的藥物。
在冠狀病毒 S 蛋白 S2 亞基的 HR 區，含有典型的亮氨酸/異亮氨酸拉鏈形式的 SBP 片段。這些片段的自我識別在 S 蛋白三聚體的形成以及病毒入侵宿主細胞膜的過程中都具有重要的作用。例如，研究者們從 SARS-CoV 的 S2 亞基的 HR 區中分離出一些 SBP 片段，這些片段能夠特異性地與 S2 亞基結合，從而阻斷 SARS-CoV 病毒包膜與宿主細胞膜的融合，使病毒不能進入細胞，因此是很有潛力的病毒抑制劑[30-31]。此外，Zhang 等[32]從 SARS-CoV 的 S1 亞基中也鑒定出一系列主要以 β-拉鏈形式存在的 SBP 片段。這些片段能夠特異性地識別、結合真核細胞表達的 S 蛋白，有望被開發成為快速鑒定、檢測 SARS-CoV 病毒的新型試劑。
6 展望
總結以往對于 SARS-CoV 和 MERS-CoV 等感染人類的冠狀病毒的研究，以及當前對于新型 2019-nCoV 病毒的研究，不難發現 S 蛋白是冠狀病毒中最值得研究的一個重要蛋白。通過生物信息學、蛋白質分子模擬、高分辨率冷凍電鏡及蛋白質晶體學等技術，能夠揭示 S 蛋白的演化起源、三維結構及其變化、受體識別結合能力等重要信息，從而鑒定 2019-nCoV 病毒的來源，分析其致病性和傳播機制。而基于現代藥物化學、免疫學、基因工程等技術，可以針對 S 蛋白開發 2019-nCoV 病毒的診斷和治療方法。不難預見，在當前 COVID-19 防控相關的基礎研究工作中，以及對于今后可能出現的新型冠狀病毒的研究中，S 蛋白將仍然是值得重點關注的研究對象。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。