这与SARS-CoV RBD与人类ACE2的结合亲和实验结果一致。与SARS-CoV RBD和人类ACE2界面的接触残基相比,可以观察到ACE2上的两个病毒病毒结合热点(hotspot hotspot Lys31和Lys353分别由Glu35和Asp38组成的盐桥)或附近的变化。如前所述,这两个热点隐藏在疏水环境中。它们为病毒-受体结合相互作用提供了大量的能量,并填补了结合界面上疏水性叠加238相互作用的关键空隙。
与人ACE2相比,中华菊头蝠ACE2-3357的两个主要残留变化是E35K和Y41H。E35K与RsSHC014 RBD中K31和Arg479的盐桥断裂,可能影响它们之间的结合亲和力。41位置的组氨酸可能会削弱K353- d38盐桥的支撑力,因为组氨酸比酪氨酸的疏水性更弱,导致其与BJ01 RBD的结合亲和力降低。因此,BJ01和RsSHC014 RBD与中华菊头蝠ACE2 -3357的结合亲和力较低。
在中华菊头蝠ACE2-1434中,位置31发现了苏氨酸,这与人类ACE2的这个位置不同,人类的是赖氨酸。虽然K31T的变化导致其不能与Glu35形成盐桥,但BJ01的RBD c中的Tyr442可以与之形成氢键。但RsWIV1 RBD中位于442的丝氨酸则不具备这种功能。
此外,RsSHC014含有一个位于479的精氨酸,Thr31不能与Glu35形成盐桥,使Glu35可以与Arg479形成盐桥,但RsWIV1中的RBD残基Asn479可能会导致其失去这一能力。因此,BJ01和RsSHC014 RBD可以与中华菊头蝠ACE2 -1434结合,但RsWIV1RBD无法与中华菊头蝠的ACE2 -1434结合。
本研究中所有的中华菊头蝠 ACE2在82的位置都包含一个天冬酰胺,而人类ACE2在此位置则是蛋氨酸。M82N的变化引入了一个不利的亲水残基,削弱了热点31周围的疏水网络。此外,Asn82引入了一个糖基化位点,就像在大鼠ACE2中一样,导致其不能有效支持SARS-CoV感染;ACE2在82位置上的聚糖可能导致空间干扰病毒RBD结合。
因此,M82N可能对SARS-CoV及SARS相关冠状病毒RBD与中华菊头蝠ACE2s的相互作用有显著影响。如前所述,RBD的487残基与ACE2上的热点353相互作用。RsWIV1 RBD中含有Asn487, Asn487的极性侧链可能与ACE2中Lys353残基的脂肪族部分发生不利的相互作用,影响K353与D38的热点相互作用。
此外,RsSHC014 RBD在位置487含有一个丙氨酸;Ala 487的小侧链不支持热点353的结构。因此,RsWIV1及RsSHC014 RBD与人类ACE2的结合亲和力均低于BJ01,但与人类ACE2的结合亲和力均高于中华菊头蝠ACE2,这与病毒感染和结合实验结果高度相符。
SARSr-CoV刺突基因通过正向选择与中华菊头蝠ACE2共同进化
为了测试作用于SARS病毒刺突蛋白和中华菊头蝠ACE2基因可能存在的选择压力,他们使用PAML软件包的编码ml程序来分析单个密码子的非同义突变与同义突变的比值(dN/dS比值)。通过分析了完整的编码SARS相关冠状病毒刺突蛋白的基因序列,并比对了来自中华菊头蝠样本的9个SARS相关冠状病毒刺突蛋白的基因序列。
研究发现模型允许密码子在正向选择(M2a和M8)下进化。在模型M8(初始种子值ω(dN / dS) = 1.6,密码子频率= F3X4), 20个密码子(p > 0.95)以dN / dS > 1的速率正向选择,根据晶体结构显示,298个密码子中有17个被发现位于RBD区域,面向受体ACE2。此外,在SARS-CoV刺突中出现的5个密码子(442、472、479、480和487),此前已被确定对人类ACE2的结合亲和力有显著影响。
接下来,他们通过比对本研究获得的以及从GenBank下载的25个中华菊头蝠ACE2基因序列,对中华菊头蝠ACE2基因进行分析。他们发现在模型M8中,12个密码子(2.3%,p > 0.95)以dN / dS > 1的速率进行正向选择,其中8个密码子(31、24、27、34、35、38、41、42)对应于人类ACE2的残留物,这些密码子直接参与人类SARS病毒刺突蛋白的接触。
他们还分析了中菊头蝠(R. affinis)的ACE2基因,有报道称该基因偶尔也能结合SARS相关冠状病毒。利用本研究获得的23个来自中菊头蝠的ACE2基因序列比对,发现中菊头蝠ACE2在整个编码区不同个体间的保守性比中华菊头蝠ACE2更强,并且没有观察到明显的正向选择位点(数据未显示)。
此外,通过查询单核苷酸多态性(SNP)数据库,他们发现人类ACE2基因中的SNPs在整个编码区域随机产生。虽然在人类ACE2中发现了两个具有非同义突变(T27A和E35K)的SNP位点,但它们在全球人群中都显示出罕见的频率(频率分别为0.00001和0.00002)。这些结果表明,在蝙蝠SARS相关冠状病毒刺突蛋白与中华菊头蝠ACE2的交界面发生了正向选择。