La glicoproteïna d'espícula del SARS-CoV-2 és una estructura proteica que es projecta cap a l'exterior (peplòmer) del virió SARS-CoV-2. És una glicoproteïna transmembrana de la superfície del virus del SARS-CoV-2 i serveix com a lligand per acoblar-se a l'ACE2 a la superfície cel·lular i com a proteïna fusogènica per a l'entrada cel·lular. Igual que els altres membres dels Coronaviridae (del ), les glicoproteïnes de l'espícula formen la distintiva i homònima corona de l'estructura superficial d'aquests virions.
Característiques miniatura|Spike glicoproteïna sense (esquerra) i amb glicosilacions (dreta) per sobre de la membrana viral (vermell)L. Casalino, Z. Gaieb, J. A. Goldsmith, C. K. Hjorth, A. C. Dommer, A. M. Harbison, C. A. Fogarty, E. P. Barros, B. C. Taylor, J. S. McLellan, E. Fadda, R. E. Amaro: Beyond Shielding: The Roles of Glycans in the SARS-CoV-2 Spike Protein. In: ACS central science. Band 6, Nummer 10, Oktober 2020, S. 1722–1734, , PMID 33140034, miniatura|Representació esquemàtica del virió SARS-CoV-2 amb glicoproteïnes d'espícula El virió SARS-CoV-2 utilitza les glicoproteïnes d'espícula per unir-se al receptor ACE2 de les cèl·lules corporals (cèl·lules hostes), amb les quals es fusiona i es multiplica.Mechanisms of SARS-CoV-2 entry into cells (www.nature.com/, 5. Oktober 2021)
Unió i fusió amb les cèl·lules hostes La glicoproteïna d'espícula és una proteïna homotrimèrica i una de les quatre proteïnes estructurals del SARS-CoV-2.Y. Wang, M. Grunewald, S. Perlman: Coronaviruses: An Updated Overview of Their Replication and Pathogenesis. In: Methods in molecular biology. Band 2203, 2020, S. 1–29, , PMID 32833200, Determina el tropisme entre el SARS-CoV-2 i les cè·lules de l'hoste.C. Zhu, G. He, Q. Yin, L. Zeng, X. Ye, Y. Shi, W. Xu: Molecular biology of the SARs-CoV-2 spike protein: A review of current knowledge. In: Journal of medical virology. Band 93, Nummer 10, 10 2021, S. 5729–5741, , PMID 34125455, Hi ha entre 15 i 30 homotrímers de la glicoproteïna d'espícula que poden girar lliurement a la superfície d'un virió.S. B. Kadam, G. S. Sukhramani, P. Bishnoi, A. A. Pable, V. T. Barvkar: SARS-CoV-2, the pandemic coronavirus: Molecular and structural insights. In: Journal of basic microbiology. Band 61, Nummer 3, März 2021, S. 180–202, , PMID 33460172, Cadascun dels tres monòmers idèntics té tres ponts disulfur interns. Cadascuna de les tres subunitats iguals es divideix en dues parts, S1 i S2, mitjançant proteòlisi per una proteasa semblant a la furina abans de la posició 686, encara que les parts escindides S1 i S2 romanent lligades entre si. A diferència d'altres coronavirus, la diana té la seqüència R R A R, que facilita la divisió.R. Kumavath, D. Barh, B. S. Andrade, M. Imchen, F. F. Aburjaile, A. Ch, D. L. Rodrigues, S. Tiwari, K. J. Alzahrani, A. Góes-Neto, M. E. Weener, P. Ghosh, V. Azevedo: The Spike of SARS-CoV-2: Uniqueness and Applications. In: Frontiers in immunology. Band 12, 2021, S. 663912, , PMID 34305894, A l'àrea S1, després d'un pèptid senyal, hi ha primer el domini N -terminal (NTD), seguit del domini d'unió al receptor (RBD) per acoblar-se a la cèl·lula hoste.X. Xia: Domains and Functions of Spike Protein in Sars-Cov-2 in the Context of Vaccine Design. In: Viruses. Band 13, Nummer 1, Januar 2021, S. , , PMID 33466921, El pèptid senyal conté 13 aminoàcids que estan disposats en espiral i de manera hidròfoba (que evita l'aigua). El NTD conté la seqüència GTNGTKR, que presumiblement permet la unió a altres proteïnes de membrana. La N-glicosilació a N 165 i N234 estabilitza la unió del RBD a ACE2. La N -glicosilació a N61 i N603 condueix a una major accessibilitat de la interfície per a les proteases.
Després de l'absorció a l'endosoma, S2 és escindit encara més per TMPRSS2 abans de la posició 816, creant S2' (posició 816 - 1273) i activant el domini de fusió.P. V'kovski, A. Kratzel, S. Steiner, H. Stalder, V. Thiel: Coronavirus biology and replication: implications for SARS-CoV-2. In: Nature reviews. Microbiology. Band 19, Nummer 3, 03 2021, S. 155–170, , PMID 33116300, Aquesta escissió no està recolzada essencialment per la catepsina L.C. B. Jackson, M. Farzan, B. Chen, H. Choe: Mechanisms of SARS-CoV-2 entry into cells. In: Nature reviews. Molecular cell biology. Band 23, Nummer 1, 01 2022, S. 3–20, , PMID 34611326, A l'àrea S2 es troben el pèptid de fusió (FP) i el pèptid de fusió interna (IFP) per a la fusió del virus i la membrana cel·lular, dos dominis de repetició d'hèptades (HR1 i HR2), un domini transmembrana i finalment un domini C -terminal curt, que es troba al citosol. A S2', falta el pèptid de fusió FP a causa de l'escissió. Les proteïnes SARS-CoV-2 M i E modulen el transport de glicoproteïnes d'espícula de nova formació mitjançant diferents mecanismes.B. Boson, V. Legros, B. Zhou, E. Siret, C. Mathieu, F. L. Cosset, D. Lavillette, S. Denolly: The SARS-CoV-2 envelope and membrane proteins modulate maturation and retention of the spike protein, allowing assembly of virus-like particles. In: Journal of Biological Chemistry. Band 296, 2021 Jan-Jun, S. 100111, , PMID 33229438, El domini transmembrana és la segona seqüència d'aminoàcids hidrofòbics de la glicoproteïna d'espícula.
Plecs proteics miniatura|El plegament del domini de fusió abans (clar) i després de la fusió de la membrana (fosca) amb l'hèlix α central (taronja = prefusió, vermell = postfusió) i l' heptada repeteix 1 (blau clar = prefusió, blau fosc = postfusió)A. C. Walls, X. Xiong, Y. J. Park, M. A. Tortorici, J. Snijder, J. Quispe, E. Cameroni, R. Gopal, M. Dai, A. Lanzavecchia, M. Zambon, F. A. Rey, D. Corti, D. Veesler: Unexpected Receptor Functional Mimicry Elucidates Activation of Coronavirus Fusion. In: Cell. Band 176, Nummer 5, 02 2019, S. 1026–1039.e15, , PMID 30712865, X. Fan, D. Cao, L. Kong, X. Zhang: Cryo-EM analysis of the post-fusion structure of the SARS-CoV spike glycoprotein. In: Nature Communications. Band 11, Nummer 1, 07 2020, S. 3618, , PMID 32681106, La glicoproteïna d'espícula té tres possibles plegaments proteics: la forma de prefusió nativa, la forma de bucle de forquilla i la forma de bucle de forquilla de postfusió. Durant la fusió de la membrana amb la cèl·lula hoste, les estructures de bobines enrotllades (amb patró heptade) formen un trímer de bucles de forquilla, apropant el pèptid de fusió a la regió C -terminal del domini proteic extracel·lular, després de la qual es fusiona la membrana del virus amb la membrana de la cèl·lula hoste. La unió al receptor indueix un canvi en el plegament que fa que el pèptid de fusió estigui més exposat, provocant així la fusió amb la membrana.W. T. Harvey, A. M. Carabelli, B. Jackson, R. K. Gupta, E. C. Thomson, E. M. Harrison, C. Ludden, R. Reeve, A. Rambaut,., S. J. Peacock, D. L. Rober: SARS-CoV-2 variants, spike mutations and immune escape. In: Nature reviews. Microbiology. Band 19, Nummer 7, 07 2021, S. 409–424, , PMID 34075212, El pèptid de fusió consta de dues parts a les posicions 816 – 837 i 835 – 855. El domini transmembrana es troba als aminoàcids 1214 – 1236. A través de la fusió, l'interior del virus () que conté el genoma viral s'allibera al citosol, després de la qual cosa comença la traducció de les proteïnes virals. Com moltes altres proteïnes fusogèniques, les glicoproteïnes d'espícula dels coronavirus humans,S. Belouzard, J. K. Millet, B. N. Licitra, G. R. Whittaker: Mechanisms of coronavirus cell entry mediated by the viral spike protein. In: Viruses. Band 4, Nummer 6, 06 2012, S. 1011–1033, , PMID 22816037, i també la del SARS-CoV-2, condueixen a la formació de sincicis,J. Buchrieser, J. Dufloo, M. Hubert, B. Monel, D. Planas, M. M. Rajah, C. Planchais, F. Porrot, F. Guivel-Benhassine, S. Van der Werf, N. Casartelli, H. Mouquet, T. Bruel, O. Schwartz: Syncytia formation by SARS-CoV-2-infected cells. In: The EMBO Journal. Band 39, Nummer 23, 12 2020, S. e106267, , PMID 33051876, Z. Zhang, Y. Zheng, Z. Niu, B. Zhang, C. Wang, X. Yao, H. Peng, D. N. Franca, Y. Wang, Y. Zhu, Y. Su, M. Tang, X. Jiang, H. Ren, M. He, Y. Wang, L. Gao, P. Zhao, H. Shi, Z. Chen, X. Wang, M. Piacentini, X. Bian, G. Melino, L. Liu, H. Huang, Q. Sun: SARS-CoV-2 spike protein dictates syncytium-mediated lymphocyte elimination. In: Cell death and differentiation. Band 28, Nummer 9, 09 2021, S. 2765–2777, , PMID 33879858, presumiblement per a poder infectar cèl·lules veïnes.
Algunes vacunes contra el SARS-CoV-2 utilitzen una variant de la glicoproteïna S com a antigen, que té dues prolines modificades a prop del domini de fusió que estabilitzen el plegament de proteïnes abans de la fusió de la membrana (estabilitzat per prefusió 2P). A la variant 2P, es van intercanviar dos aminoàcids per prolina: a la posició 1060 abans hi havia una valina, a la posició 1061 abans hi havia una leucina.J. Pallesen, N. Wang, K. S. Corbett, D. Wrapp, R. N. Kirchdoerfer, H. L. Turner, C. A. Cottrell, M. M. Becker, L. Wang, W. Shi, W. P. Kong, E. L. Andres, A. N. Kettenbach, M. R. Denison, J. D. Chappell, B. S. Graham, A. B. Ward, J. S. McLellan: Immunogenicity and structures of a rationally designed prefusion MERS-CoV spike antigen. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 114, Nummer 35, 08 2017, S. E7348–E7357, doi:10.1073/pnas.1707304114, PMID 28807998, La variant 2P es va descriure per primera vegada per als coronavirus a MERS-CoV. Es va confirmar l'analogia de la variant 2P en SARS-CoV-2.D. Wrapp, N. Wang, K. S. Corbett, J. A. Goldsmith, C. L. Hsieh, O. Abiona, B. S. Graham, J. S. McLellan: Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. In: Science. Band 367, Nummer 6483, 03 2020, S. 1260–1263, doi:10.1126/science.abb2507, PMID 32075877,
immunologia esquerra|miniatura|Els anticossos casirivimab (verd) i imdevimab (taronja) s'uneixen a la RBD esquerra|miniatura|Els anticossos tixagevimab (morat) i cilgavimab (verd) s'uneixen a la RBD Els anticossos contra la glicoproteïna d'espícula es formen després de la infecció per SARS-CoV-2, així com després de la vacunació amb vacunes COVID-19. Els anticossos neutralitzants contra el SARS-CoV-2 s'uneixen en una proporció d'un 90% al RBD de S1. Els anticossos monoclonals bamlanivimab, casirivimab, cilgavimab, etesevimab, imdevimab, regdanvimab, sotrovimab i tixagevimab s'uneixen al domini d'unió al receptor (RBD) de la glicoproteïna d'espícula del SARS-CoV-2. Molts epítops a la superfície de la glicoproteïna d'espícula estan emmascarats per glicosilacions extensives. Com que el RBD està menys emmascarat per glicosilacions en comparació amb altres estructures superficials, el RBD és presumiblement immunodominant per generar els anticossos.Y. Watanabe, Z. T. Berndsen, J. Raghwani, G. E. Seabright, J. D. Allen, O. G. Pybus, J. S. McLellan, I. A. Wilson, T. A. Bowden, A. B. Ward, M. Crispin: Vulnerabilities in coronavirus glycan shields despite extensive glycosylation. In: Nature Communications. Band 11, Nummer 1, 05 2020, S. 2688, , PMID 32461612, Les mutacions d'escapament d'anticossos es produeixen principalment en la regió específica del RBD, que també indica la seva immunodominància.A. J. Greaney, A. N. Loes, K. H. Crawford, T. N. Starr, K. D. Malone, H. Y. Chu, J. D. Bloom: Comprehensive mapping of mutations in the SARS-CoV-2 receptor-binding domain that affect recognition by polyclonal human plasma antibodies. In: Cell host & microbe. Band 29, Nummer 3, 03 2021, S. 463–476.e6, , PMID 33592168, Els anticossos neutralitzants contra la glicoproteïna d'espícula es divideixen en 4 classes segons les seves propietats d'unió:C. O. Barnes, C. A. Jette, M. E. Abernathy, K. A. Dam, S. R. Esswein, H. B. Gristick, A. G. Malyutin, N. G. Sharaf, K. E. Huey-Tubman, Y. E. Lee, D. F. Robbiani, M. C. Nussenzweig, A. P. West, P. J. Bjorkman: SARS-CoV-2 neutralizing antibody structures inform therapeutic strategies. In: Nature. Band 588, Nummer 7839, 12 2020, S. 682–687, , PMID 33045718,