SARS-CoV-2变异株中ACE-2-RBD稳定性增强的分子机制：关键SARS-CoV-2 RBD突变的影响

《Computational and Structural Biotechnology Reports》：Molecular mechanisms underlying enhanced ACE-2-RBD stability in SARS-CoV-2 variants: The impact of key SARS-CoV-2 RBD mutations

　　SARS-CoV-2变种病毒通过RBD区域的突变增强与ACE-2受体的结合能力，主要机制包括氢键和静电相互作用增加，分子动力学模拟显示多数变种结构稳定性良好，但XBB.1.5等部分变种存在稳定性问题。研究为抗病毒药物开发提供分子靶点。

　　随着全球范围内SARS-CoV-2感染病例的持续增长，病毒的遗传变异成为研究的重点。自2019年底首次发现以来，SARS-CoV-2已经经历了多次突变，这些突变不仅影响了病毒的传播能力，还可能改变了其对宿主免疫系统的逃避机制以及引发疾病的严重程度。在众多变异中，某些特定的突变，如XBB.1.5、XBB.1.16、EG.5、BA.2.86等，因其在受体结合域（RBD）中的关键改变而受到特别关注。这些变异通过引入不同的氨基酸替换，如D405N、G446S、N460K、R408S等，显著影响了病毒与人类ACE-2受体之间的相互作用，从而提升了其结合能力与传播效率。

本研究采用计算方法对这些变异的分子行为进行了深入分析，特别是它们在与hACE-2结合时的自由能变化。研究结果显示，与原始病毒株（WT）相比，某些变异如BQ.1.1、CH.1.1、EG.5、EG.5.1、XBB.1、XBB.1.5、XBB.1.9.1、XBB.2.3以及BA.2.75表现出更强的结合能力。具体而言，WT的结合自由能为?35.24?±?8.97?kcal/mol，而这些变异的结合自由能均低于该值，表明它们在与ACE-2结合时具有更高的亲和力。这种增强的结合能力可能与氢键（H-bonds）和静电相互作用的增加有关，相关系数分别为0.51和0.28。这说明，尽管某些变异可能引入了新的分子结构，但它们仍然能够在维持整体结构稳定性的前提下，通过增强这些基本的分子相互作用，提升病毒的感染能力。

进一步的结构稳定性分析表明，大多数变异并没有破坏RBD-hACE-2复合物的完整性，只有XBB.1.5、XBB.1.9.1和XBB.1.9.2表现出一定程度的结构变化。这些结果提示我们，虽然某些突变可能在一定程度上影响了蛋白质的构象，但它们仍能保持与ACE-2结合的稳定性。这种稳定性可能源于某些关键突变的协同效应，如G446S、S477N、Q498R、N501Y和Y505H等，这些突变可能通过增强氢键形成潜力或促进电荷相互作用，从而优化了RBD与ACE-2的结合状态。

研究还揭示了不同变异在与ACE-2结合时所形成的分子相互作用类型及其数量。例如，BQ.1.1变异表现出最多的氢键（24个），而EG.5、EG.5.1和XBB.1则各形成了20个氢键。此外，多个变异还表现出增强的静电相互作用和盐桥形成，例如XBB.1.5、XBB.1.16、EG.5和EG.5.1等。这些变化可能解释了为什么这些变异在传播能力和感染效率方面表现得比原始病毒株和早期变种如BA.5、BQ.1等更为显著。这种增强的结合能力不仅可能促进病毒的快速传播，还可能影响宿主免疫系统的识别与反应，从而提高病毒的存活率和感染力。

在理解这些分子变化的基础上，本研究还探讨了结构稳定性和灵活性对病毒行为的影响。通过分析RMSD（均方根偏差）、RoG（回转半径）和RMSF（残基均方根波动）等参数，研究人员发现大多数变异的RBD-hACE-2复合物在模拟过程中保持了相对稳定的结构。例如，RMSD值在5?ns后趋于收敛，表明结构变化较小。然而，某些变异如BQ.1在特定残基（如110和600）处表现出更高的灵活性，这可能与特定的突变有关，如K444T和S371F。这些突变可能改变了蛋白质的局部构象，影响了其与ACE-2的结合特性。此外，RMSF值的分析进一步揭示了不同变异在结合过程中的动态行为，某些区域的灵活性增加可能有助于病毒适应宿主环境并增强其感染能力。

结合自由能计算和分子相互作用分析的结果表明，增强的氢键和静电相互作用是这些变异表现出更强结合能力的关键因素。例如，XBB.1.5的G446S、S477N、G496S和Q498R突变可能增强了氢键的形成潜力，从而稳定了RBD与ACE-2的结合状态。同样，XBB.1.16的N460K和K478R突变可能通过增加正电荷密度，增强了其与ACE-2的静电相互作用。此外，EG.5和EG.5.1的G339H、G446S、S477N、Q498R、N501Y和Y505H突变可能通过促进氢键和电荷相互作用，提高了病毒的结合效率。这些分子层面的变化不仅解释了变异的传播特性，也为开发针对这些变异的治疗策略提供了理论依据。

在研究过程中，研究人员还通过计算SASA（溶剂可及表面积）来评估病毒蛋白与ACE-2结合时的表面暴露情况。SASA值的分析表明，尽管某些变异在结合过程中表现出更高的表面暴露，但这些变化并未显著影响其结构稳定性。这一发现进一步支持了前面的结论，即这些变异在增强结合能力的同时，仍然能够维持结构的完整性。这种平衡可能是病毒在适应宿主环境时的一种进化策略，通过优化关键相互作用，提高自身的生存和传播能力。

值得注意的是，研究还探讨了不同结构参数与结合自由能之间的相关性。例如，RMSF与结合自由能之间存在显著的负相关关系，相关系数为?0.50。这意味着，结构的灵活性增加可能会导致结合能力的下降。这一结果提示我们，尽管某些变异可能在某些区域表现出更高的灵活性，但它们的整体结合能力仍可能受到其他因素的调控。因此，在设计针对这些变异的抗病毒药物或疫苗时，需要综合考虑这些分子层面的变化，以确保干预措施能够有效阻断病毒与宿主细胞的结合过程。

本研究的发现对于理解SARS-CoV-2的变异机制及其对人类宿主的影响具有重要意义。通过揭示这些变异在结合ACE-2时的分子行为，研究人员为开发更有效的抗病毒治疗方案提供了理论支持。例如，针对氢键和静电相互作用的抑制剂可能有助于减少病毒的结合能力，从而降低其传播效率。此外，这些分子层面的分析还为疫苗的设计提供了新的思路，即通过靶向关键的结合位点，增强疫苗对变异病毒的中和能力。

总之，本研究通过系统的分子模拟和计算分析，揭示了SARS-CoV-2变异在与ACE-2结合时的分子机制。这些变异通过引入特定的氨基酸替换，增强了氢键、静电相互作用和疏水作用，从而提高了其结合能力和传播效率。这些发现不仅加深了我们对病毒变异的理解，也为未来抗病毒药物和疫苗的开发提供了重要的科学依据。随着病毒的持续变异，保持对这些分子机制的深入研究将是应对未来疫情挑战的关键。