冠狀病毒HKU5物種特異性ACE2識別的分子機制與跨種傳播風險分析

《Nature Communications》：Molecular insights into species-specific ACE2 recognition of coronavirus HKU5

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：Nature Communications 15.7

　　

冠狀病毒（CoVs）作為重要的人畜共患病原體，其跨物種傳播能力一直備受關注。從SARS-CoV、MERS-CoV到SARS-CoV-2，冠狀病毒的多次暴發凸顯了動物宿主（尤其是蝙蝠）作為病毒庫的潛在風險。蝙蝠源性β-冠狀病毒HKU5屬于Merbecovirus亞屬，與MERS-CoV親緣關系密切，但其分子機制研究相對滯后。近年研究發現HKU5能夠利用多種物種的血管緊張素轉換酶2（ACE2）作為細胞入侵受體，包括日本家蝠（Pipistrellus abramus）、人類和貂等，這提示其潛在的跨種傳播風險。然而，HKU5刺突蛋白（S蛋白）的構象調控機制及其與ACE2互作的結構基礎尚不明確，阻礙了對其宿主適應性的深入理解。

為揭示HKU5的分子特性，研究團隊通過冷凍電鏡技術解析了HKU5 S蛋白的閉合構象結構，發現每個原體結合兩個脂肪酸分子（油酸和棕櫚酸），這些分子通過穩定S蛋白的“向下”構象可能延緩宿主細胞入侵或輔助免疫逃逸。進一步通過解析HKU5受體結合域（RBD）與蝙蝠ACE2蛋白酶結構域（PaPD）的復合物結構，發現其結合模式不同于SARS-CoV-2等其他ACE2利用型冠狀病毒，涉及三個關鍵相互作用區域（Patch 1-3），其中RBD的β5-β8片層和α4螺旋與PaPD的α1-α3螺旋、β-發夾等結構域形成獨特界面。

研究采用冷凍電鏡結構解析、生物層干涉技術（BLI）、假病毒入侵實驗、細胞-細胞融合 assay 及三分裂熒光系統等關鍵技術，結合進化分析，系統評估了HKU5的受體結合特性和跨種傳播潛力。實驗所用HKU5 S蛋白和ACE2蛋白酶結構域來源于蝙蝠（Pipistrellus abramus）、人類（Homo sapiens）及鳥類（Pitta sordida）等物種，通過HEK293F細胞表達純化獲得。

Structure of HKU5 S protein in the closed conformation

研究發現HKU5 S蛋白三聚體中所有RBD均處于“向下”狀態，形成閉合構象。

質譜分析證實S蛋白結合油酸（C₁₈H₃₂O₂）和棕櫚酸（C₁₆H₃₄O₂），分別位于原體間界面（Pocket 1）和RBD內部（Pocket 2）。突變實驗顯示脂肪酸結合雖穩定閉合構象，但對ACE2介導的入侵非必需。

Interaction of HKU5 RBD with bat ACE2

HKU5 RBD通過緊湊的超二級結構與PaPD形成1107 ?2的結合界面，關鍵殘基如RBD的K519與PaPD的E37等通過氫鍵和鹽橋穩定互作。

與SARS-CoV-2等病毒相比，HKU5的ACE2結合位點位于PaPD表面不同區域，體現了其獨特的進化路徑。

Evolutionary dynamics of HKU5 RBD

對NCBI數據庫中HKU5亞支的分析顯示，RBD核心區域高度保守，但受體結合模體（RBM）存在超過30個變異位點。BLI實驗表明不同亞支（如HKU5-3、GD2013）與PaPD結合親和力相近（K_D≈20-35 nM），提示自然變異對受體結合影響有限。

Cross-species transmission risk analysis of HKU5

通過突變ACE2關鍵界面殘基（如PaPD的R328A導致結合強度降低50%），發現327WRD329和352KND354基序在鳥類ACE2（如Pitta sordida）中高度保守。

假病毒入侵和細胞融合實驗證實表達Pitta sordida ACE2的細胞可支持HKU5入侵，盡管其結合親和力（K_D=122.9 nM）低于蝙蝠ACE2。結構分析顯示鳥類ACE2的糖基化模式差異和界面殘基變異（如E325替代P324）導致結合模式微調。

本研究揭示了HKU5通過脂肪酸穩定閉合構象、利用獨特ACE2結合界面的分子機制，并首次發現其可劫持鳥類ACE2實現跨類傳播。這挑戰了β-冠狀病毒僅感染哺乳類的傳統認知，強調了監測HKU5及其變種人畜共患風險的必要性。研究成果為理解冠狀病毒宿主適應性提供了結構基礎，對前瞻性疫苗設計和跨物種傳播預警具有重要科學價值。