清華新聞網(wǎng)4月26日電 甲病毒（alphavirus）是一類(lèi)由蚊蟲(chóng)等節(jié)肢動(dòng)物傳播的、有囊膜、單鏈、正義RNA病毒，屬于披膜病毒科（Togaviridae），能廣泛感染人、鳥(niǎo)、鼠、馬等多種動(dòng)物并引起相關(guān)疾病。甲病毒感染人類(lèi)后可引起發(fā)燒、嚴(yán)重且持續(xù)的頭痛、肌肉疼痛和關(guān)節(jié)痛。一些甲病毒能感染神經(jīng)細(xì)胞并導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染，引發(fā)重癥腦炎。迄今為止，還沒(méi)有任何藥物或者疫苗被批準(zhǔn)用來(lái)治療或者預(yù)防甲病毒的感染。近年來(lái)，關(guān)于甲病毒侵染機(jī)制的研究已有一系列重要進(jìn)展。基孔肯雅熱病毒（CHIKV）與其受體Mxra8（matrix remodeling associated protein 8）結(jié)合的分子機(jī)制和委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒（VEEV）與其受體LDLRAD3（Low-density lipoprotein receptor class A domain-containing protein 3）結(jié)合的分子機(jī)制均已清晰闡明。然而根據(jù)現(xiàn)有研究尚不能解釋甲病毒能廣泛感染從非脊椎動(dòng)物到脊椎動(dòng)物、且進(jìn)化關(guān)系上跨度很大的多種物種的原因。2021年的一篇研究報(bào)道表明載脂蛋白受體VLDLR（very-low-density lipoprotein receptor）是多種甲病毒，包括塞姆利基森林病毒（Semliki Forest Virus, SFV），感染蚊蟲(chóng)、鼠、馬、人等多個(gè)物種的通用受體。介導(dǎo)病毒跨越差異極大的不同物種之間傳播的通用受體鮮有報(bào)道，病毒與這類(lèi)受體的結(jié)合模式及其介導(dǎo)的跨物種傳播機(jī)制尚不清楚。
4月24日，《細(xì)胞》（Cell）期刊在線(xiàn)發(fā)表了清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院向燁課題組和中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所章新政課題組合作完成的研究論文“塞姆利基森林病毒與其受體分子VLDLR復(fù)合物結(jié)構(gòu) ”（Structure of Semliki Forest virus in complex with its receptor VLDLR）。該研究解析了SFV與人源受體VLDLR復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，鑒定了一種甲病毒全新的受體結(jié)合位點(diǎn)，揭示了受體VLDLR的多個(gè)相似串聯(lián)結(jié)構(gòu)域通過(guò)協(xié)同作用與SFV特異性結(jié)合的新型機(jī)制。研究首次闡釋了通用受體分子介導(dǎo)病毒實(shí)現(xiàn)跨物種傳播的分子機(jī)制，為抗病毒藥物設(shè)計(jì)及新型疫苗開(kāi)發(fā)提供了新靶點(diǎn)。
圖1.新型受體通過(guò)多個(gè)串聯(lián)LA結(jié)構(gòu)域的協(xié)同作用介導(dǎo)甲病毒SFV的跨物種傳播
甲病毒囊膜表面有80個(gè)三聚體形式的刺突蛋白spike，每個(gè)spike由三個(gè)E1/E2異源二聚體構(gòu)成。已有研究普遍認(rèn)為位于Spike近囊膜區(qū)域的E1主要負(fù)責(zé)病毒與宿主的膜融合，而位于病毒遠(yuǎn)離囊膜區(qū)域spike上的E2參與受體結(jié)合。CHIKV與MXRA8復(fù)合物和VEEV與LDLRAD3復(fù)合物結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，LDLRAD3和MXRA8都結(jié)合在病毒spike上相鄰E1-E2二聚體形成的狹縫中，病毒的E1、E2蛋白均參與了與受體的結(jié)合。該研究中，研究人員利用基于分塊重構(gòu)算法的單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，成功解析了SFV VLP及其與受體VLDLR復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，并出乎意料地發(fā)現(xiàn)VLDLR結(jié)合在SFV E1蛋白貼近囊膜區(qū)域的DⅢ結(jié)構(gòu)域（E1-DⅢ）上，且SFV E2并沒(méi)有參與和受體VLDLR的結(jié)合。這種結(jié)合方式與以往發(fā)現(xiàn)的甲病毒受體結(jié)合方式完全不同，刷新了關(guān)于甲病毒與受體相互作用的認(rèn)知。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)VLDLR通過(guò)其胞外多個(gè)富含半胱氨酸重復(fù)序列結(jié)構(gòu)域（LDLR class A repeats，LAs）與SFVE1-DⅢ結(jié)合。單個(gè)LA結(jié)構(gòu)域與病毒的結(jié)合力弱，其解離常數(shù)為1-30uM，而多個(gè)串聯(lián)LA結(jié)構(gòu)域與病毒的結(jié)合顯著增強(qiáng)，其解離常數(shù)為1-100nM。SFV表面受體結(jié)合位置E1-DⅢ在二次軸、五次軸附近相互靠近且密集排布，為多個(gè)LA結(jié)構(gòu)域可能的協(xié)同結(jié)合提供了先決條件。通過(guò)解析SFVVLP與多個(gè)串聯(lián)LA復(fù)合物結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)多個(gè)串聯(lián)的LAs可同時(shí)結(jié)合SFV VLP多個(gè)E1-DIII位點(diǎn)，而且存在多種不同的結(jié)合模式（圖1）。
在五次軸附近，多個(gè)串聯(lián)LAs發(fā)生輕微的旋轉(zhuǎn)避免空間上的阻礙以便協(xié)同結(jié)合E1-DⅢ。與單個(gè)LA結(jié)合時(shí)相比，串聯(lián)形式中的LA雖然在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中大部分與E1-DⅢ的相互作用會(huì)被破壞，但是一些關(guān)鍵位點(diǎn)上的相互作用依舊保留著，而且通過(guò)串聯(lián)LAs的協(xié)同作用，彌補(bǔ)了單個(gè)LA上非關(guān)鍵性相互作用的損失，大大增強(qiáng)了病毒與受體的結(jié)合力。從而，這種多個(gè)串聯(lián)LA協(xié)同作用模式能夠增加受體對(duì)單個(gè)LA中結(jié)合能力丟失的容忍度。不同物種VLDLR大多數(shù)LA序列雖然差異較大，但與病毒作用關(guān)鍵殘基W132、E137和D139完全保守。VLDLR獨(dú)特的協(xié)同結(jié)合模式，使其在介導(dǎo)病毒感染時(shí)能夠耐受來(lái)自不同進(jìn)化層次物種間序列的差異，實(shí)現(xiàn)跨度很大的多物種之間的病毒傳播。綜上，該研究通過(guò)結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段，結(jié)合多種生化方法，首次闡述了多種宿主中進(jìn)化上相對(duì)保守的通用細(xì)胞受體通過(guò)其多個(gè)相似結(jié)構(gòu)域弱相互作用的協(xié)同工作與病毒特異性結(jié)合，從而介導(dǎo)病毒跨物種入侵的分子機(jī)制。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院向燁研究員和中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所章新政研究員為該論文的共同通訊作者，章新政課題組副研究員曹端方、向燁課題組博士后馬丙婷和章新政課題組博士研究生曹紫怡為該論文的共同第一作者。
該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、清華大學(xué)萬(wàn)科公共衛(wèi)生與健康學(xué)科發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)春風(fēng)基金、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。
論文鏈接：
https://authors.elsevier.com/a/1gzV3_278y%7ETQf
供稿：醫(yī)學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
