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基于分子动力学模拟与动态交叉相关分析的SARS-CoV-2 RBD-ACE2复合物研究显示，各变种在保持S19/A475、Q24/S477、Y83/N487氢键核心框架的同时，通过电荷重排和疏水相互作用重构界面网络，其中Delta和Omicron因L455S等突变形成新的稳定接触模式。该研究为解析病毒进化机制提供了结构动力学依据。
林·特朗·霍艾（Linh Truong Hoai）|巴索·伊尔哈姆（Baso Ilham）|塔纳科恩·松波恩皮苏特（Thanakorn Sompornpisut）|穆罕默德·卢特菲（Muhammad Luthfi）|拉斯·B·潘迪（Ras B. Pandey）|波恩泰普·松波恩皮苏特（Pornthep Sompornpisut）
泰国曼谷朱拉隆功大学理学院化学系计算化学卓越中心，邮编10330
摘要
研究SARS-CoV-2受体结合域（RBD）中残基水平变化对病毒与人类ACE2蛋白的分子识别和结合行为的影响，对于阐明病毒进化及其传播性至关重要。早期的结构和计算分析为ACE2–RBD相互作用机制提供了宝贵的见解。然而，将结构、动态、基于接触和能量特性整合起来的系统比较仍然有限。在这项研究中，我们采用了分子动力学模拟、动态互相关分析、主成分分析、界面接触映射、氢键特征描述和能量分解等方法，来探讨野生型及五种主要变体（Alpha、Beta、Gamma、Delta和Omicron）中ACE2–RBD复合物的结构动态和界面相互作用。这种多层次的研究方法揭示了保守的以及适应性的相互作用模式。一种持续的氢键框架存在于ACE2的S19、Q24和Y83位点与RBD的A475、S477和N487位点之间，并在所有变体中得到保持，这一框架成为病毒结合受体的重要机制。相比之下，Delta和Omicron变体通过重新分布的疏水性和静电相互作用表现出不同的界面重组，尽管存在多个电荷改变突变，仍能维持结合能力。聚类和主成分分析进一步区分了早期（Alpha–Gamma）和后期（Delta–Omicron）的变体谱系，反映了渐进的结构适应。总体而言，这项综合分析提供了关于突变如何共同调节ACE2识别的机制性见解，为理解变体进化提供了预测性框架，并指导未来的治疗设计。
引言
2019年末严重急性呼吸综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）的出现引发了全球大流行，对公共卫生、社会和全球经济产生了深远影响[1]。尽管辉瑞-BioNTech、Moderna、强生、牛津-阿斯利康和诺瓦瓦克斯等疫苗迅速研发并投入使用[2]，但该病毒仍在不断进化出新变体，对现有的治疗和预防策略构成挑战[3]。值得注意的是，JN.1变体是Omicron BA.2.86谱系的后代，于2023年末首次被发现，此后成为包括美国、欧洲部分地区和亚洲在内的多个地区的主要流行株[4]、[5]。在泰国，2024年1月至2025年5月初期间，JN.1占所有检测到的SARS-CoV-2病例的63.92%[6]。JN.1携带多个刺突蛋白突变，其中包括受体结合域（RBD）中的L455S替换，这增强了其逃避免疫反应的能力并提高了传播性[7]。这种持续的病毒多样化凸显了阐明病毒进入和宿主识别机制的必要性，尤其是在病毒刺突蛋白与人类ACE2受体之间的分子界面。
SARS-CoV-2通过其刺突（S）糖蛋白与血管紧张素转换酶2（ACE2）结合来感染宿主细胞，该糖蛋白是嵌入病毒包膜中的三聚体复合物[8]、[9]。刺突蛋白通过两个功能亚单位实现病毒进入：S1介导受体结合，S2促进膜融合[10]、[11]。位于S1中的RBD对于宿主特异性和感染性至关重要，它直接与ACE2结合。RBD内部包含受体结合基序（RBM；残基约437–508），这是一个富含环结构的区域，负责与ACE2 N末端结构域（残基19–90）建立主要的界面接触[12]、[13]、[14]。这种界面通过氢键、盐桥、疏水相互作用和π相关接触网络来实现[14]、[15]。结构和生化研究表明，许多高影响力的突变（如N501Y、Q498R、E484K和L452R）发生在RBM区域内，这些突变改变了ACE2的亲和力、传播性和免疫逃逸能力[16]、[17]、[18]。理解这些突变在分子层面上如何影响RBD–ACE2界面对于预测病毒进化和发展有效的对策至关重要。
在大流行期间，相继出现的Alpha、Beta、Gamma、Delta和Omicron变体表现出不同的ACE2结合亲和力和免疫逃逸特征，这些变化通常由多个RBD突变驱动（表S1）[19]、[20]、[21]、[22]。最近的实验映射和结构研究确立了RBD突变如何调节ACE2亲和力的基础。高通量方法评估了RBD中氨基酸替换对ACE2结合和折叠的影响，揭示了许多变体突变所利用的机制（例如N501Y、E484K、S477N）。这些数据表明，循环中反复出现的某些替换增强了ACE2结合能力，同时保持了RBD的表达，从而为变体的出现创造了“高适应性”路径[23]。对于Alpha（B.1.1.7），多项生物物理和体内研究表明N501Y是提高ACE2亲和力和传播力的主要驱动因素，在气道模型中观察到ACE2结合强度提高了约8倍[24]、[25]、[26]。
对于Beta（B.1.351），K417N/E484K/N501Y组合位于RBM区域内，共同重塑了与ACE2相互作用的表面。结合和竞争实验表明，这种三重组合相对于Wuhan-Hu-1增强了ACE2亲和力，尽管单独的K417N可以适度降低亲和力，这突显了RBM突变之间的上位性[27]。高通量选择实验独立表明，E484K和N501Y是最强的ACE2亲和力增强因子，类似变体的RBD基因型富含增加受体结合能力同时促进抗体逃逸的突变[28]。Delta（B.1.617.2）的RBM区域包含L452R和T478K，冷冻电镜结构捕捉到了独特的刺突构象状态和RBD–ACE2组装，有助于解释其增强的进入特性[29]。生物物理分析进一步表明，L452R和T478K单独或共同作用可以增强ACE2结合并稳定有利的界面接触，这与Delta在人类群体中的观察到的适应性一致[30]、[31]。
尽管RBD发生了广泛变异，Omicron谱系（如BA.1/BA.2）通过补偿性电荷重塑和新形成的界面网络保持了强大的ACE2结合能力。多项结构研究表明，Omicron在显著改变抗体表位的同时（在某些情况下还略微增强了）ACE2亲和力，这得益于更正的RBD电静表面和替代的接触网络[32]、[33]、[34]、[35]。在Omicron背景下进行的后续DMS分析（BA.1/BA.2）展示了额外替换如何在新突变背景下调节ACE2亲和力和RBD稳定性，强调了大流行后期进化过程中控制ACE2结合的约束变化[36]。
先前的计算研究深入探讨了SARS-CoV-2 RBD突变在原子水平上如何调节ACE2结合。全原子分子动力学（MD）结合势能（PMF）方法显示，Alpha和Delta复合物与野生型相比具有更深的结合坑和更强的界面静电和氢键网络，表明其稳定性增强[37]。对Alpha、Delta和Omicron的比较长时程MD模拟进一步揭示了K417、E484和N501等残基的变体特异性重组，这些重组稳定了不同的氢键基序并改变了ACE2接触的持久性[38]。原子级别的能量分解分析还强调了突变体（如N501Y和E484K）中ACE2残基Y41和K353之间的π–π和阳离子–π相互作用的增强，有助于解释实验观察到的亲和力提升[39]。另一项计算证据表明，Omicron的组合替换在界面形成了更密集、电荷平衡的氢键网络，从而提高了结合持久性和表观亲和力[39]、[40]。此外，比较野生型与Omicron RBD–ACE2复合物的扫描MD模拟强调了骨架柔韧性和界面堆积的变化，这些变化可能影响变体特异性的结合动力学；微秒级MD研究解析了祖先型与SARS-CoV RBD在锚定强度和解离动力学上的差异[41]、[42]。
尽管有许多计算研究探讨了不同SARS-CoV-2变体之间的ACE2–RBD相互作用，但突变如何重塑界面动力学和结合能量的总体机制仍不完全清楚。先前的研究结果表明，静电、疏水性和芳香族接触的微妙重组是ACE2识别进化微调的基础。基于这些见解，本研究进行了全面的比较分析，整合了原子级MD模拟、主成分分析（PCA）、界面接触映射、动态互相关（DCCM）、氢键特征描述和MM/GBSA能量分解。这一多维框架系统地研究了野生型及五种主要变体（Alpha、Beta、Gamma、Delta和Omicron）在结合界面处如何调节残基水平的相互作用。除了评估结构波动、氢键和非共价接触外，还使用层次聚类来识别主导的界面构象，而DCCM和PCA分析捕捉了相关的残基运动和集体动力学。能量分解进一步量化了单个残基对ACE2结合的热力学贡献。通过这种综合方法，我们旨在阐明不同突变景观如何重新配置ACE2–RBD相互作用模式，为SARS-CoV-2的进化适应提供机制性见解，并为未来的治疗和疫苗开发提供结构基础。
部分摘要
系统发育分析
使用MEGA 11软件进行了系统发育分析，以评估五种SARS-CoV-2变体与野生型（WT）株之间的进化关系[43]。使用MUSCLE算法和默认参数对RBD的全长氨基酸序列进行了比对[44]。多序列比对用于生成系统发育图谱，提供了关于序列分歧和变体与WT株之间亲缘关系的见解。
结果
构建了野生型和五种SARS-CoV-2变体的ACE2–RBD复合物结构模型，以比较RBD构象和ACE2相互作用界面（图1a）。在这些模型中，ACE2以绿色带状图表示，而RBD则以彩色图表示——野生型为红色，突变形式则为蓝色或特定变体的颜色。尽管所有变体中RBD与ACE2的总体结合方向保持一致，但局部构象差异明显
讨论
与先前的报告一致，野生型复合物表现出最稳定的相互作用特征，体现在其较低的RMSD、DCCM中的强残基耦合以及持续的氢键和接触占据上。相比之下，Delta和Omicron变体显示出更大的结构波动和破坏的动态相关模式。这些效应在ACE2 N末端螺旋（残基19–90）和RBD受体结合基序（RBM，残基437–508）中尤为明显
结论
本研究提出了一个综合分子动力学框架，阐明了SARS-CoV-2 RBD中的突变如何在结构、动态和能量层面上重塑ACE2识别。尽管各变体之间的序列差异很大，但涉及ACE2残基S19、Q24和Y83与RBD残基A475、S477和N487的保守氢键框架始终得到保持，突显了其在受体结合中的进化重要性。Beta、Gamma和Omicron变体
作者贡献声明
林·特朗·霍艾（Linh Truong Hoai）：撰写——初稿，可视化，验证，方法学，研究，正式分析，数据管理。巴索·伊尔哈姆（Baso Ilham）：可视化，验证，正式分析，数据管理。塔纳科恩·松波恩皮苏特（Thanakorn Sompornpisut）：正式分析，数据管理。穆罕默德·卢特菲（Muhammad Luthfi）：正式分析，数据管理。拉斯·B·潘迪（Ras B. Pandey）：监督，概念化。波恩泰普·松波恩皮苏特（Pornthep Sompornpisut）：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，研究，资金获取，正式分析，
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
生成式AI和AI辅助技术在手稿准备过程中的使用声明
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI，GPT-5模型）来提高手稿的清晰度、简洁性和语言质量。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明与本工作无关的任何竞争性利益。
致谢
本研究由泰国科学研究与创新基金朱拉隆功大学（HEA_FF_69_244_2300_055）资助，资助对象为P.S.，来自东盟或非东盟国家的朱拉隆功大学研究生奖学金计划，资助对象为L.T.H.
