一、牛冠状病毒（BCoV）与 S 蛋白概述
牛冠状病毒（Bovine Coronavirus, BCoV）属于冠状病毒科 α 冠状病毒属，是引起牛腹泻、呼吸道感染的重要病原。其表面刺突蛋白（SPIke Protein, S 蛋白）是介导病毒感染、决定宿主嗜性的关键糖蛋白，也是疫苗研发和免疫应答的核心靶点。

二、S 蛋白的结构特征
1.  分子组成与构象

• 异源二聚体结构：S 蛋白由 S1（约 100-110 kDa）和 S2（约 50-60 kDa）亚基通过二硫键连接，形成三聚体锚定在病毒包膜上，整体呈棒状突起。
• 功能分区： 
  • S1 亚基：N 端结构域（NTD）和 C 端受体结合域（RBD），RBD 负责识别宿主细胞表面的氨肽酶 N（APN）或唾液酸受体。
  • S2 亚基：包含融合肽（FP）、七肽重复区（HR1/HR2）和跨膜结构域（TM），介导病毒包膜与宿主细胞膜的融合。

2.  糖基化修饰

• S 蛋白含 15-20 个 N - 糖基化位点，糖链覆盖于蛋白表面，形成 “糖盾” 结构，可保护抗原表位、参与受体识别，并影响抗体结合效率。

三、分子量与序列特性

• 天然 S 蛋白：三聚体总分子量约 500-600 kDa，单体 S1+S2 约 150-170 kDa，糖基化后实际分子量略高于理论值（S1≈110 kDa，S2≈60 kDa）。
• 重组 S 蛋白：根据表达系统不同，分子量略有差异： 
  • 真核表达（杆状病毒）：糖基化完整，分子量接近天然蛋白；
  • 原核表达（大肠杆菌）：无糖基化，S1 重组蛋白约 90 kDa，S2 约 50 kDa，需复性处理以恢复构象。

四、S 蛋白的生物学功能
1.  病毒感染启动

• 受体结合：S1 亚基的 RBD 特异性结合牛肠上皮细胞表面的 APN 或唾液酸（α-2,3/α-2,6 连接），是宿主嗜性的决定因素。
• 膜融合介导：S2 亚基的 FP 在酸性内体环境中暴露，插入宿主膜，HR1 和 HR2 形成六聚体螺旋束，拉近病毒与宿主膜距离，促进融合。

2.  免疫原性与抗原变异

• 中和抗体靶点：S 蛋白是诱导中和抗体的主要抗原，关键表位位于 S1 的 RBD 和 S2 的 HR 区。
• 抗原漂移：S1 亚基的 RBD 和 NTD 易发生氨基酸突变（如牛呼吸道分离株与肠道株的 S 蛋白序列差异约 5%-10%），导致血清型多样性和疫苗保护力下降。

五、重组 S 蛋白的表达与纯化
1.  表达系统选择 系统 优势 挑战 应用场景 杆状病毒 - 昆虫细胞 糖基化修饰完整、构象接近天然 成本高、周期长（7-10 天） 疫苗研发、结构研究 哺乳动物细胞（CHO） 修饰精确、适合复杂糖基化 表达量低、工艺复杂 高端疫苗或抗体筛选 大肠杆菌 成本低、表达量高（100-500 mg/L） 无糖基化、易形成包涵体 诊断抗原、表位分析 酵母（毕赤酵母） 分泌表达、操作简便、部分糖基化 糖链结构与哺乳动物差异 低成本疫苗候选抗原 2.  纯化工艺（以杆状病毒系统为例）

• 收获与澄清：收集昆虫细胞培养上清，离心去除细胞碎片，0.22 μm 滤膜过滤。
• 亲和层析：利用 S 蛋白 C 端 His-tag，通过 Ni-NTA 柱纯化，200 mM 咪唑洗脱，纯度达 80%-85%。
• 离子交换层析：根据 S 蛋白 pI 约 6.0-6.5，通过 SP Sepharose 柱（阳离子交换）在低盐条件下结合，梯度 NaCl 洗脱，纯度提升至 95%。
• 凝胶过滤：Superdex 200 柱去除聚集体，验证三聚体结构（洗脱峰对应约 500 kDa）。

六、S 蛋白的应用与研究前沿
1.  诊断检测

• ELISA 抗原：重组 S1 亚基作为包被抗原，检测牛血清中的抗 BCoV 抗体，适用于腹泻或呼吸道感染的流行病学调查。
• 中和试验：利用重组 S 蛋白建立假病毒中和试验（Pseudotype Neutralization Assay），评估血清中和活性，比传统活病毒试验更安全。

2.  疫苗开发

• 亚单位疫苗：杆状病毒表达的 S 蛋白三聚体（含 S1+S2）与佐剂（如 Montanide）联用，可诱导高效中和抗体，保护犊牛免受腹泻攻击。
• 病毒样颗粒（VLP）：将 S 蛋白与 M、E 蛋白共表达，组装成 VLP，模拟天然病毒结构，增强黏膜免疫和体液免疫。

3.  结构生物学研究

• 解析 S 蛋白与牛 APN 的共晶结构（如 RBD-APN 复合物），发现关键结合位点（如 S1 亚基第 479-485 位氨基酸），为设计小分子抑制剂提供靶点。

七、防控意义与挑战

• 免疫程序优化：针对 S 蛋白的抗原变异，需定期更新疫苗株，或开发多价疫苗（如包含肠道株与呼吸道株 S 蛋白）。
• 跨物种传播风险：BCoV 的 S 蛋白若获得人型受体结合能力（如通过 RBD 突变），可能引发公共卫生关注，需持续监测其进化动态。

 

牛冠状病毒 S 蛋白的结构与功能特性决定了病毒的感染机制和免疫逃逸能力。重组 S 蛋白的表达与纯化技术为 BCoV 的诊断和疫苗研发提供了关键工具，而对 S 蛋白抗原表位变异和受体结合机制的深入研究，将推动更有效的防控策略开发，保障养牛业健康发展。