截至2022年5月，约翰霍普金斯大学冠状病毒资源中心的统计结果显示SARS-CoV-2已在全球造成5.21亿人感染[1,2]。该病毒的关键结构蛋白——刺突蛋白（spike protein，简称S蛋白）从Alpha到Omicron，已经出现多处突变，这些病毒变异株导致病毒传播速率更快、再感染风险增加以及免疫逃逸等[3]。SARS-CoV-2感染的临床患者主要表现为发热、咳嗽、乏力、全身肌肉酸痛，病理生理学症状包括肺灌注失调、血管通透性增加和严重的“细胞因子风暴”，严重者出现急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome,ARDS）、多器官衰竭和死亡[4,5]。儿童病例与成人有不同的症状，表现为多系统炎症综合征，但这种疾病仍然会危及生命[6]。

SARS-CoV-2病毒属于Beta冠状病毒，是一种包膜单链RNA病毒，病毒基因组编码29种不同的蛋白质，包括4种主要结构蛋白：S蛋白、包膜蛋白（envelope protein，简称E蛋白）、膜蛋白（membrane protein，简称M蛋白）、核衣壳（nucleocapsid,N）蛋白。SARS-CoV-2的S蛋白由1 160～1 400个氨基酸组成，包括N端信号肽、受体结合片段S1和融合片段S2（图1)[7]。S1负责与受体ACE2识别，S2负责将S蛋白固定在细胞膜上，并介导病毒-宿主细胞膜的融合[8]。

血管紧张素转换酶2(angiotensin-converting enzyme 2,ACE2）是一种跨膜金属羧肽酶，在肺、呼吸道、鼻咽部、心脏、肾脏、肠胃组织和一些免疫细胞等均有表达[9,10]。这种酶是SARS-CoV-2的主要受体，该受体与S蛋白RBD结合，引起S蛋白C末端构象变化，导致S2亚基暴露，S2亚基在跨膜丝氨酸蛋白酶2(transmembrane protease serine 2,TMPRSS2）的作用下触发病毒与靶细胞膜融合（图2)[11,12]。ACE2还是肾素-血管紧张素-醛固酮系统（renin-angiotensin-aldosteronesystem,RAAS）的重要组成部分，在RAAS中，ACE2将AngⅡ转化为血管紧张素1-7(Ang1-7),Ang 1-7的形成是ACE2介导保护的重要机制[13]。在SARS-CoV-2 S蛋白引起的急性肺损伤中，S蛋白与ACE2结合，导致AngⅡ积累，增加了RAAS相关疾病的发生，AngⅡ又可激活血管紧张素Ⅱ-1型受体（AT1R）以触发级联信号反应，启动限制ACE2表达的正反馈[14]。ACE2作为SARS-CoV-2受体在SARS-CoV-2进入细胞过程中发挥重要作用[15]。

1、S蛋白突变

突变对于蛋白质的稳定性具有一定影响，SARS-CoV-2 S蛋白突变增强了病毒的传播和对宿主感染的能力，SARS-CoV-2突变主要发生在RBD中，RBD突变后的病毒表现出相当强的传播力并且与受体结合强度和概率大为提高，可显著提高免疫逃逸能力[16]。截至2023年2月1日，世卫组织公布了11种需要关注的病毒变异株，分别是Alpha、Beta、Gamma、Delta、Epsilon、Zeta、Eta、Theta、Iota、Kappa和Omicron，以及Omicron谱系如B.1.1.529、BA.2.75.X、BA.4、BA.5.X、BQ.1.X、XBB.1.5.X、BF.X等和它们的子谱系。此外，还有一些待观察的变异株，如Lambda、Mu等，它们的特征和影响还需要进一步的研究。本文总结了几种病毒变异株：①Alpha(B.1.1.7）病毒变异株在RBD中最明显的突变是N501Y和P681[17]，研究发现其传播率较高，且对大多数单克隆抗体和疫苗敏感[18]。②Beta(B.1.351）病毒变异株在RBD中有3个突变（N501Y、E484K和K417N）和一些NTD突变（69/70缺失除外）[19,20]，有报告显示E484K突变对两种NT162b2剂量引发的血清中和影响很小[21]。③Gamma(P.1）病毒变异株携带有N501Y、E484K和K417T等多种突变，该变异株引起感染激增且传染性增强，对几种单克隆中和抗体、恢复期血清和疫苗无效[22]。④Delta(B.1.617.2）变异株在RBD中存在L452R突变和呋喃林裂解位点的P681R突变，它还具有其他几种S蛋白突变（T19R、R158G、T478K和D950N），该突病毒变异株在感染患者体内的潜伏期短、传播速度快、病毒载量高，由于免疫逃逸而导致的再感染率更高，更易发展为危重症[23]。此外，单抗和多克隆抗体对Delta可能是有效的[24,25]。⑤Omicron被分为7个主要谱系，B.1.1.529、BA.2.75.X、BA.4、BA.5.X、BQ.1.X、XBB.1.5.X、BF.X以及一些子谱系（BA.1.1、BA.2.12.1、BA.2.11、BA.2.75、BA.4.6等）[26,27]，与以前的病毒相比，Omicron谱系在S蛋白RBD中有50多个突变。Omicron BA.2相比BA.1，具有高的传染性和免疫逃逸，但BA.4/BA.5的传播率高于BA.1、BA.1.1和BA.2[28,29,30]。2022年末，Omicron变异株又出现了新的进化分支，包括流行的BF.7和尚未展现出传播优势的BQ.1和XBB及其子谱系，对于它们的具体传播特点目前仍在研究中。

图1 S蛋白结构和结构域[7]   

图2 SARS-CoV-2结构及入侵宿主机制[12]   

2、S蛋白引起的宿主疾病

2.1 S蛋白引起的呼吸道炎症反应

SARS-CoV-2引起以咳嗽、呼吸困难以及严重肺炎或呼吸衰竭为特征的呼吸系统疾病，并导致多种并发症[31]。SARS-CoV-2感染导致死亡的主要原因是急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome,ARDS）引起的呼吸衰竭，ARDS可能与肺纤维化和全身炎症引起的气道重塑有关[32]。S蛋白是病毒主要结构蛋白之一，有研究表明单独S蛋白也可引起呼吸道炎症反应。一项研究发现，S蛋白在人和小鼠肺巨噬细胞中依赖Toll样受体2(TLR2）激活了核转录因子（NF-κB）和c-Jun N-末端激酶（JNK）信号通路，引发巨噬细胞炎症，导致肺部病理变化，产生急性肺炎[33]。此外，S蛋白还可通过ACE2依赖的Toll样受体（TLR）、JAK/STAT和PI3K/AKT信号通路诱导巨噬细胞细胞因子（TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8）、趋化因子（MCP-1、MIP-1），并导致3CL蛋白酶（3C-likeprotease,3CLpro）活性增强[34]。体内实验发现SARS-CoV-2 S蛋白感染小鼠，在小鼠肺纤毛细胞和Ⅰ型肺泡上皮细胞中存在高表达的TMPRSS2,TMPRSS2在病毒进入细胞过程中发挥重要作用，其激活S蛋白，导致病毒与细胞融合进入细胞，引起炎症反应[35]。在SARS-CoV-2感染死亡病例尸检中发现，SARS-CoV-2 RNA主要分布在纤毛细胞和呼吸道上皮细胞的分泌细胞及Ⅰ型和Ⅱ型肺泡上皮细胞[36,37]。人肺动脉内皮细胞经S蛋白S1刺激，内皮屏障功能受损，屏障功能丧失，多种炎症细胞因子水平升高[38]。这些研究表明S蛋白可引起呼吸道炎症反应，这为预防和治疗SARS-CoV-2感染提供参考。

鞘氨醇-1-磷酸（S1P）是一种脂质介质，由细胞外鞘磷脂代谢产生，调节细胞-细胞黏附以及影响细胞迁移分化[39]。S1P在各种疾病过程中起着多种作用，包括炎症和癌症[40]。研究发现外源性鞘氨醇可以与SARS-CoV-2靶细胞受体ACE2结合，并阻止S蛋白RBD与ACE2的相互作用，防止上皮细胞感染SARS-CoV-2，还可以防止SARS-CoV-2感染新鲜分离的鼻上皮细胞[41]。因此，S1P可以干扰病毒与其受体的相互作用用来预防一些病毒感染。然而脂多糖诱导的炎症信号和IL-6释放是由S1P水平升高介导的[42]。因此在低表达ACE2或不表达ACE2的细胞中是否有相同作用还需进一步探索。

2.2 S蛋白引起的心血管疾病

心血管系统也被认为是SARS-CoV-2感染的目标[43,44]。在SARS-CoV-2感染患者中细胞肿胀、严重内皮损伤、细胞间连接中断和基底膜接触丧失意味着内皮细胞的破坏，内皮细胞的破坏会导致血管内皮炎和微细血管血栓[45]。尽管SARS-CoV-2感染会引起一系列心血管疾病，但研究发现病毒S蛋白独立于病毒也对心血管系统产生影响。体外研究发现SARS-CoV-2 S蛋白可单独依赖于整合素α5β1和NF-κB诱导内皮细胞炎症，在内皮细胞中，含精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（Arg-Gly-Asp,RGD）的多肽可特异性地与整合素αvβ3结合，S蛋白含有一个整合素结合RGD模体，暴露在RBD表面，与肺上皮细胞和单核细胞上的β1整合素结合[46]。S蛋白结合激活RhoA家族，CD31再分布，肌动蛋白应激纤维形成和eNOS磷酸化，导致高通透性的内皮，此外，整合素α5β1与S蛋白结合激活NF-κB，诱导促炎介质[凝血因子（TF和FVⅢ）]，促炎细胞因子（TNF-α、IL-1β和IL-6），白细胞黏附分子（VCAM1和ICAM1）和ACE2的表达[47]。

RAAS被认为在SARS-CoV-2引起的心血管疾病发病机制中起核心作用，并且已经提出了调节RAAS途径的药物作为潜在治疗方法[48]。在SARS-CoV-2 S蛋白引起的急性肺损伤中，S蛋白与ACE2结合，导致AngⅡ向Ang-(1-7）的转化减少，AngⅡ积累增加，并导致内皮功能障碍、炎症和血栓[49]。而AngⅡ激活AT1R以触发级联信号反应，从而激活ERK/p38 MAP信号导致金属蛋白酶17(ADAM-17）上调以启动限制ACE2表达的正反馈[50]。因此，RAAS的抑制或阻断可能有助于减轻炎症风暴并防止器官损伤。此外，心肌损伤和心力衰竭也被认为是SARS-CoV-2 S蛋白引起的症状[51,52]。

2.3 S蛋白引起的神经系统疾病

SARS-CoV-2不仅引起宿主呼吸系统、心血管系统疾病，还会使患者出现一些神经症状，如头痛、失眠、易疲劳等[53]。但有报道称单独S蛋白也会影响神经系统。研究发现S蛋白S1可以穿过血脑屏障，这可能是引起患者出现精神症状的基础[54]。体内研究发现S1注入小鼠海马，导致小鼠认知能力下降，胶质细胞中IL-1β的表达导致海马神经元细胞死亡[55]。最近的一项体外实验发现，SARS-CoV-2 S蛋白S1独立于病毒作为病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns,PAMP）诱导神经炎症，例如，S1刺激可以增加小胶质细胞/脑巨噬细胞活化标志物（Iba1、Cd11b、MHCⅡα）、星形胶质细胞活化标志物（Gfap）、TLR(TLR4）、炎症小体（Nlrp3）和促炎细胞因子（IL-1β）的基因表达；在HEK293细胞和小胶质细胞中激活TLR2和TLR4的表达[56]。

目前尚不清楚SARS-CoV-2是否可以影响宿主先天免疫反应，以诱导血脑屏障的炎症损伤，从而扩散到中枢神经系统，需要使用神经元组织和血脑屏障模型进行进一步研究，从而揭示SARS-CoV-2在神经系统中的传播和病理学特征。

3、小结

SARS-CoV-2 S蛋白是病毒侵入细胞的主要结构蛋白，通过与细胞受体ACE2结合，在各种酶和辅助因子的作用下，S蛋白被激活进而进入细胞引起宿主疾病。根据目前的研究数据表明，S蛋白不仅引起呼吸系统炎症反应，同时通过血脑屏障以及受感染的免疫细胞途径侵袭神经系统；而且还对心血管系统产生一系列影响，导致凝血功能障碍、血栓和心肌损伤等并发症。因此，迫切需要了解S蛋白引起各种疾病的潜在机制，从而为预防和治疗S蛋白引起的各种疾病及其并发症提供临床参考。

4、创新性与局限性

本文立足于S蛋白的结构，综述了主要病毒变异株的突变位点和传播特点及其潜在的临床表现机制。SARS-CoV-2感染宿主固然有着经典的模式识别受体途径引发的炎症等疾病，但其S蛋白的主要作用一直被认为是介导病毒同宿主受体的结合。通过本文的综述可以更新人们对S蛋白的认识，它不仅是一个结构蛋白，而且能够直接引发免疫反应从而引起相应器官系统的疾病。

由于病毒仍在不断变异，对最新变异株如BQ.1、XBB等的S蛋白突变位点及由此引起的传播特点的改变仍需不断追踪和研究。每一种变异株仍有其变异子谱系，例如Omicron的BA.2就有BA.2.12.1、BA.2.11、BA.2.13、BA.2.75等多个子谱系突变株，篇幅有限难以一一罗列比较。此外，其他结构蛋白如N蛋白也已被发现可以单独引起呼吸道炎症，因此对SARS-CoV-2的认识仍在持续更新，需要进一步报道。

参考文献:

[6]冯志冠,鲍燕敏,杨永弘,等.新型冠状病毒感染相关儿童多系统炎症综合征[J].中华实用儿科临床杂志,2020,35(15):1121-1124.

[11]刘琪,肖卫,张煦,等. ACE2在SARS-CoV-2感染及致病机制中的研究进展[J].免疫学杂志,2022,38(5):451-455.

[20]何晓波,虞淦军,吴艳峰.新型冠状病毒突变株对传染性和疾病进展及免疫保护影响的研究进展[J].中国免疫学杂志,2021,37(16):2021-2028.

[27]于乐成,宋勇.新型冠状病毒奥密克戎变异株的病原学､临床特点､感染控制及治疗[J].解放军医学杂志,2022,47(11):1063-1072.

[44]何姝航,任安经. COVID-19心血管并发症的研究进展[J].现代临床医学,2022,48(3):198-201.

[53]徐振华,刘水蓉,江小霞.新型冠状病毒对神经系统的影响进展[J].军事医学,2021,45(12):950-954,960.

基金资助:国家自然科学基金(82000008);广东省基础与应用基础研究基金区域联合基金(2019A1515110126);

文章来源:刘兴健,张锐钢.SARS-CoV-2 S蛋白主要结构与突变及S蛋白引起疾病的潜在机制[J].中国免疫学杂志,2024,40(04):857-861.