2003年，急性呼吸道綜合癥相關的冠狀病毒（SARS-CoV）從動物身上傳播到人類身上，導致了致命性的呼吸道疾病。全球病毒學項目已經在不同的動物和地理區域發現并公布數千種的冠狀病毒序列。β冠狀病毒（betacoronaviruses）是冠狀病毒的一個屬, 可分為ABCD型。其中，SARS病毒（SARS-CoV）和新出現的新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）屬于B型。目前，每年都會有更多的冠狀病毒序列被發現，但由于研究冠狀病毒的現有技術存在耗時、費用高等問題，關于這些病毒對人類的感染性的機理研究仍處于初期階段。病毒侵入宿主細胞是跨物種傳播的關鍵因素，所有的冠狀病毒都編碼一種表面蛋白：刺突蛋白，它能與宿主細胞受體結合，介導病毒進入細胞。對于β冠狀病毒來說，刺突蛋白的受體結合域（Receptor binding domain，RBD）參與了宿主受體的識別, 從而促進病毒進入細胞。基于此，美國國立衛生院的研究團隊在Nature Microbiology雜志發表的Functional assessment of cell entry and receptor usage for SARS-CoV-2 and other lineage B betacoronaviruses文章，報道了一種可以快速測試β冠狀病毒感染性的方法，研究通過檢測了B型β冠狀病毒所有已發表的RBD的受體結合情況，確定出SARS-CoV-2可以通過與ACE2受體識別進入人體細胞（Fig. 1a）。
圖：Fig. 1A
B型冠狀病毒的29種RBD 序列可以分為三類：分支1，分支2，分支3，SARS-CoV屬于分支1。研究中，作者將所有B型冠狀病毒的RBD序列取代SARS-CoV的RBD序列，構建出刺突嵌合表達載體，隨后通過結合刺突嵌合表達載體構建出水皰性口炎（vesicular stomatitis virus ，VSV）偽病毒報告因子（Fig. 1b，1c）。利用含有不同RBD的水皰性口炎偽病毒去感染表達ACE2受體的幼鼠腎臟細胞(BHK)，結果表明，三類RBD中，只有屬于分支1的SARS-CoV可以通過人體ACE2受體進入細胞（Fig. 1d，1e）。
與宿主受體結合后，宿主細胞蛋白酶分解刺突蛋白釋放出融合肽，病毒得以進入宿主細胞。宿主細胞蛋白酶的缺失或宿主細胞與病毒刺突蛋白之間的不親和性都可阻斷病毒的進入。研究中在沒有外源性蛋白酶的情況下，只有B型分支1類冠狀病毒可以感染非洲綠猴腎細胞，人類胃腸道細胞、人類肝臟細胞和豬腎細胞。外源性蛋白酶處理構建的偽病毒后再感染非人類靈長類動物、蝙蝠和人類細胞，分支2的冠狀病毒刺突蛋白嵌合體也可以感染宿主細胞（Fig. 2）。
圖：Fig. 2
研究還測試了人體的β冠狀病毒受體-ACE2 、α冠狀病毒受體N-APN 和MERS病毒受體-DPP4介導分支2和分支3的刺突蛋白嵌合體進入細胞的能力（Fig. 3a）。通過蛋白酶處理表達受體的細胞，可增強B型-分支 1類冠狀病毒 RBDs進入表達ACE2受體細胞的能力，而DPP4受體僅介導C型冠狀病毒MERS-CoV進入宿主細胞，APN僅介導α冠狀病毒HCoV-229E進入宿主細胞。在沒有受體的情況下，所有的刺突蛋白嵌合體均無法進入宿主細胞，這表明蛋白酶介導的病毒侵染細胞依賴于特異性受體（Fig. 2b）。
此外，該研究合成了近期爆發的B型冠狀病毒SARS-CoV-2的RBD基因序列，并利用已知的人體冠狀病毒受體對其進行測試。結果表明，SARS-CoV-2 的刺突蛋白與分支1類的SARS病毒表達相似，SARS-CoV-2病毒能夠利用人體ACE2受體進入細胞（Fig. 3c, 3d）。
圖：Fig. 3
B型冠狀病毒的3類RBD存在差異。其中，只有分支 1類的RBD包含與人體ACE2相互識別14個位點，這些位點及結合處的環形結構在分支2和分支3中大部分是缺失的（Fig. 4a, 4b）。文章在3個分支共有序列的基礎上設計了一系列RBD突變體，用來確定可以讓分支2和分支3類RBD與受體ACE2結合的關鍵序列。在分支1類RBD序列上引入分支2類上兩個環狀結構的缺失，可以導致刺突蛋白表達的降低，無法進入細胞（Fig. 4c, 4d）。在分支2和分支3上引入分支1上的環形結構或引入分支1上的14個位點，并不能增加RBD進入細胞的概率，而引入分支1上的14個位點及周圍的環形結構序列，可以增強分支2和分支3的 RBDs進入細胞（Fig. 4c）。
圖：Fig. 4
將分支2和分支3類刺突蛋白序列全長合成后與構建的RBD嵌合體進行比較。研究中對分支2和分支3類刺突蛋白全長序列進行合成后，用分支1的RBD保守序列取代原有RBD序列，結果表明，所有的刺突蛋白表型類似（Fig 5a, 5b）。蛋白酶處理可以促進分支2的RBD嵌合體或刺突蛋白全長進入Huh細胞，但不能促進分支3類病毒進入宿主細胞。綜上所述，B型的SARS 病毒RBD嵌合體表現出刺突蛋白全長的侵染能力（Fig. 5c）。此外，研究還測試了受體識別和蛋白酶處理是否存在耦合作用，分支1類RBD序列取代分支 2和分支3類RBD全長序列后，利用蛋白酶處理，分支2和分支3類刺突蛋白可以進入細胞，表明受體識別和蛋白酶處理存在耦合作用（Fig. 5）。
圖：Fig. 5
