S-белок

S-белок (также известный как спайк-белок, пепломер, англ. spike protein, S protein) — это поверхностный гликопротеин, расположенный на внешней оболочке вирусов семейства Coronaviridae. Он играет ключевую роль в процессе проникновения вируса в клетку-хозяина, связываясь с клеточными рецепторами и обеспечивая слияние вирусной и клеточной мембран. S-белок является основной мишенью для иммунного ответа организма и, соответственно, для разработки вакцин и противовирусных препаратов.

Структура

S-белок представляет собой гомотример — структуру, состоящую из трёх идентичных полипептидных цепей, каждая из которых имеет молекулярную массу около 150–200 кДа. Каждая цепь делится на две функциональные субъединицы: S1 и S2.

Субъединица S1

Субъединица S1 (глобулярная головка) отвечает за распознавание и связывание с рецептором на поверхности клетки-мишени. В её составе находится рецептор-связывающий домен (RBD, receptor-binding domain), который непосредственно взаимодействует с рецептором. Для коронавирусов, таких как SARS-CoV (вирус атипичной пневмонии) и SARS-CoV-2 (возбудитель COVID-19), основным рецептором является ангиотензинпревращающий фермент 2 (ACE2). У других коронавирусов, например, MERS-CoV, рецептором выступает дипептидилпептидаза-4 (DPP4).

Субъединица S2

Субъединица S2 (стебельковая часть) отвечает за слияние вирусной оболочки с мембраной клетки. Она содержит несколько ключевых структурных элементов:

• Пептид слияния (FP, fusion peptide) — гидрофобный участок, который встраивается в мембрану клетки.
• Гептадные повторы (HR1 и HR2) — участки, образующие спиральные структуры, которые сближают вирусную и клеточную мембраны.
• Трансмембранный домен — закрепляет белок в липидной оболочке вируса.

Функция

Основная функция S-белка — обеспечение проникновения вирусного генома в клетку. Этот процесс включает два этапа:

1. Прикрепление: субъединица S1 распознаёт и связывается с рецептором на поверхности клетки-хозяина. Это связывание запускает конформационные изменения в структуре белка.
2. Слияние: субъединица S2 претерпевает значительные структурные перестройки, в результате которых пептид слияния встраивается в клеточную мембрану, а гептадные повторы образуют «шестиспиральный пучок» (6-helix bundle), стягивающий мембраны вируса и клетки. Это приводит к слиянию и высвобождению вирусной РНК в цитоплазму.

Протеолитическая активация

Для выполнения своей функции S-белок должен быть активирован протеолитическим расщеплением. У коронавирусов расщепление происходит в двух сайтах:

• S1/S2 сайт — разделяет субъединицы S1 и S2.
• S2’ сайт — расположен вблизи пептида слияния и необходим для его активации.

Расщепление осуществляется клеточными протеазами, такими как фурин, TMPRSS2 (трансмембранная сериновая протеаза 2) или катепсины. У SARS-CoV-2 в сайте S1/S2 присутствует полиосновный участок (RRAR), который облегчает расщепление фурином, что, по мнению исследователей, способствует высокой патогенности и трансмиссивности вируса.

Роль в иммунитете и вакцинации

S-белок является главным антигеном коронавирусов. Антитела, нейтрализующие вирус, в основном направлены против RBD субъединицы S1, блокируя его связывание с рецептором. Однако субъединица S2 также содержит консервативные эпитопы, которые могут вызывать перекрёстный иммунный ответ против разных коронавирусов.

Вакцины против COVID-19, разработанные на основе технологии мРНК (например, «Спутник V» — зарегистрирован в РФ, вакцина от Pfizer/BioNTech — в РФ не зарегистрирована, вакцина от Moderna — в РФ не зарегистрирована), аденовирусных векторов (например, вакцина от AstraZeneca — в РФ не зарегистрирована, вакцина от Johnson & Johnson — в РФ не зарегистрирована) и белковых субъединиц, направлены на индукцию иммунного ответа именно против S-белка. Вакцина «Спутник V» (разработана НИЦЭМ им. Н. Ф. Гамалеи) использует аденовирусные векторы для доставки гена S-белка SARS-CoV-2, что приводит к его экспрессии в клетках человека и последующей выработке антител.

Мутации и варианты вируса

S-белок подвержен мутациям, которые могут влиять на его свойства, включая способность к связыванию с рецептором, устойчивость к нейтрализующим антителам и трансмиссивность вируса. Наиболее известные варианты SARS-CoV-2, такие как «альфа» (B.1.1.7), «дельта» (B.1.617.2) и «омикрон» (B.1.1.529), содержат множественные мутации в S-белке, особенно в RBD. Например, мутация N501Y (в варианте «альфа») повышает аффинность связывания с ACE2, а мутации в варианте «омикрон» (например, K417N, E484A, N501Y) значительно снижают эффективность нейтрализующих антител, полученных после вакцинации или перенесённого заболевания, что приводит к возможности повторного заражения.

Применение в диагностике

S-белок используется в качестве мишени для диагностических тестов. В частности, иммуноферментный анализ (ИФА) и экспресс-тесты на антиген к S-белку позволяют выявлять наличие вируса в образцах. Кроме того, определение уровня антител к S-белку используется для оценки поствакцинального иммунного ответа.

S-белок в других коронавирусах

S-белок присутствует у всех известных коронавирусов, включая:

• SARS-CoV (2002–2004) — возбудитель атипичной пневмонии.
• MERS-CoV (с 2012) — возбудитель ближневосточного респираторного синдрома.
• HCoV-229E, HCoV-NL63, HCoV-OC43, HCoV-HKU1 — коронавирусы, вызывающие лёгкие респираторные инфекции (простудные заболевания).

У каждого из этих вирусов S-белок имеет уникальные особенности, определяющие спектр хозяев, тропизм к тканям и патогенность.

Исследования и разработки

S-белок является объектом интенсивных исследований. Учёные изучают его структуру методами рентгеновской кристаллографии и криоэлектронной микроскопии, что позволяет детально визуализировать его конформационные изменения. На основе этих данных разрабатываются:

• Ингибиторы слияния — пептиды или малые молекулы, блокирующие субъединицу S2.
• Нейтрализующие антитела — моноклональные антитела, направленные против RBD.
• Вакцины нового поколения — например, вакцины на основе наночастиц, отображающих множественные копии S-белка.

Источники

• Walls, A. C., et al. (2020). Structure, Function, and Antigenicity of the SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein. Cell, 181(2), 281–292.
• Hoffmann, M., et al. (2020). SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor. Cell, 181(2), 271–280.
• Wrapp, D., et al. (2020). Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science, 367(6483), 1260–1263.
• Jackson, C. B., et al. (2022). Mechanisms of SARS-CoV-2 entry into cells. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 23(1), 3–20.
• Harvey, W. T., et al. (2021). SARS-CoV-2 variants, spike mutations and immune escape. Nature Reviews Microbiology, 19(7), 409–424.