近日，上海科技大学免疫化学研究所杨贝/Wilson研究团队与复旦大学基础医学院陆路/姜世勃研究团队通力合作，通过交叉运用多种不同的技术手段，研发出能够广谱抑制多种人冠状病毒（HCoV）感染的多肽类融合抑制剂EK1，并揭示了其作用靶点和发挥功能的分子机制。该研究同时证明了冠状病毒（CoV）刺突蛋白的HR1区域是一个重要且保守的药物作用靶点，为后续抗HCoVs的广谱药物研发提供了理论基础和重要思路。目前该研究成果以“A pan-coronavirus fusion inhibitor targeting the HR1 domain of human coronavirus spike”为题在线发表于Science子刊《科学进展》上（Science Advances）。
近年来，严重急性呼吸综合症冠状病毒（Severe acute respiratory syndrome coronavirus, SARS-CoV）和中东呼吸综合症冠状病毒（Middle East respiratory syndrome coronavirus,MERS-CoV）等高致病性HCoVs的出现不断威胁着人类的生命健康，影响了社会的稳定发展。但是目前尚无获得批准的防治SARS-CoV和MERS-CoV感染的疫苗和药物在临床中应用。更须关注的是，自然界中广泛存在的其他CoVs，也可能与SARS-CoV和MERS-CoV相类似，即通过跨种传播感染人类。近期，世界卫生组织（WHO）提出要防御“Disease X”,即由目前未知的病原体（包括新型冠状病毒）引起的严重国际大流行的人类疾病（http://www.who.int/blueprint/priority-diseases/en/）。因此，探寻在各种HCoV上均保守的药物靶点，以及基于这些靶点研发广谱、高效的抗HCoV药物成为该领域亟待解决的关键问题。该类研究也将为目前流行的HCoV的防治和未来可能出现的新型HCoV的防控提供解决方案和技术储备。
复旦大学研究团队发表于2014年《自然通讯》（Lu L et al., Nature Communications5:3067, 2014）的前期相关工作中成功研发了源自于MERS-CoV S蛋白上HR2区域的多肽类融合抑制剂MERS-HR2P。该多肽可作用于MERS-CoV S蛋白的HR1区域，抑制其形成α-六螺旋结构，从而阻止MERS-CoV通过病毒-宿主膜融合进入靶细胞。然而，尽管MERS-CoV和SARS-CoV同属β类HCoVs，多肽MERS-HR2P却并不能有效抑制SARS-CoV的感染。同样，源自于SARS-CoV HR2的多肽也无法有效地抑制MERS-CoV的感染。此外，上海科技大学研究团队已发表的前期工作同样揭示与β类HCoVs相比，α类HCoVs（如HCoV-229E）的HR1区域要长出14个氨基酸并表现出不同的表面电荷分布特征(Yan L et al., Acta Crystallogr D Struct Biol.74:841-51,2018)。这些现象进一步增加了不同HCoVs间HR1区域的差异。因此，各种HCoV的HR1区域是否具有足够的保守性以支撑广谱抗HCoV融合抑制剂的研发在领域内一直存在争议。
为解决该关键科学问题，联合研究团队建立了多个HCoVs 的S蛋白介导的细胞-细胞膜融合系统，并通过交叉筛选的方式，发现了源自HCoV-OC43 HR2区域的多肽（OC43-HR2P）具有广谱抗HCoV的活性。在此基础上，团队成员以OC43-HR2P为模板，进一步优化序列，从而获得一条溶解度更好、抑制活性更高的多肽EK1。多肽EK1在α类HCoVs 和β类HCoVs的假病毒和活病毒感染系统上均展示出广谱且高效的抗病毒活性（如Figure1所示）。
联合研究团队进一步解析了多肽EK1与分别来源于α和β类等多个不同HCoVs的HR1的共晶结构。研究结果显示EK1可通过大量保守而又广泛的疏水及亲水相互作用与不同HCoVs的HR1区域结合（如Figure2所示）。研究还发现EK1多肽在与不同长度、不同理化特征的HR1s发生相互作用时具有很好的构象可塑性与表面电荷包容性，其不仅可以很好地作用于β类HCoV的HR1区域，而且可以通过良好的可塑性与包容性充分保障其与α-HCoV的长HR1区域之间的相互作用。这些结果不仅从结构上揭示了多肽EK1广谱、高效抑制不同HCoVs感染的分子机制，同时也证明了HR1s在功能和结构上具有独特的保守性，可成为研发广谱抗HCoVs药物的重要靶点。
基于上述研究，联合研究团队进一步开展了EK1多肽在动物体内抗病毒活性的研究。结果显示，EK1在代表性病毒HCoV-OC43和MERS-CoV感染的小鼠模型上均展示出较好的体内抗病毒效果，并且该多肽在体内具有较好的安全性和和较低的免疫原性，显示其具有良好的应用前景，具备被进一步开发成为用于防治目前流行的多种HCoVs和应对未来可能出现的新型HCoVs的特异性药物的潜力。
上海科技大学博士研究生严磊和复旦大学博士后夏帅、徐巍为本文的共同第一作者，上海科技大学免疫化学研究所Co-PI杨贝和Ian A.Wilson教授、复旦大学陆路研究员和姜世勃教授为本文的共同通讯作者。本研究在上海科技大学与复旦大学等兄弟院校的通力合作下完成，并得到了中国疾病预防控制中心谭文杰教授、美国德克萨斯大学医学部Chien-Te K.Tseng教授等学者的大力支持与帮助；受到了来自于国家十三五传染病重大专项、国家自然科学基金面上项目等基金的资助。
文章链接：https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav4580
Figure 1. The potent and broad-spectrum antiviral activity of EK1. A. The antiviral mechanism of HR2P peptides. B. The sequences of the designed peptides: HR1Ps, HR2Ps and EK1. C. Inhibitory activity of EK1 in cell-cell fusion mediated by the various CoV S proteins. D. Inhibitory activity of EK1 against pseudotyped CoVs infection. E. Inhibitory activity of EK1 on live HCoV replication for MERS-CoV, HCoV-OC43, HCoV-229E and HCoV-NL63, respectively.
Figure 2. Structural Studies of EK1 in complex with the HR1 regions from MERS-CoV (A), SARS-CoV (B) and 229E (C) unravel the molecular basis for the pan-CoV inhibitory effect of EK1 peptide.1st panel: Structural comparison of the HR1-EK1 6-HB bundles and cognate HR1-HR2 6-HB bundles reveals that the EK1 peptide binds to the 3HR1 core of different HCoVs in a similar manner to that of the native HR2 of corresponding HCoV. 2nd-4th panel: the extensive and highly-conserved hydrophobic and hydrophilic interactions between EK1 and different HR1s; EK1 residues that are involved in hydrophobic packing are shown as stick models on the electrostatic surfaces of 3HR1 cores(2nd panel), and HR1 residues from MERS-CoV, SARS-CoV and 229E that meditate highly conserved side chain–to-side chain (3rd panel) and side chain-to-main chain (4th panel) hydrophilic interactions with EK1 residues are boxed in cyan and redrespectively.
