4月24日，《細(xì)胞》（Cell）在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所章新政課題組和清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院向燁課題組合作完成的研究論文（Structure of Semliki Forest virus in complex with its receptor VLDLR）。該工作解析了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。該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)。

甲病毒（alphavirus）是一類由蚊蟲(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，尚無(wú)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年有研究報(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)病毒跨越差異較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。

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均結(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蛋白均參與與受體的結(jié)合。本研究利用基于分塊重構(gòu)算法的單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，解析了SFV VLP及其與受體VLDLR復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了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)合方式不同，刷新了關(guān)于甲病毒與受體相互作用的認(rèn)知。

研究進(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SFV E1-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1-30 M，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1-100 nM。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。研究通過(guò)解析SFV VLP與多個(gè)串聯(lián)LA復(fù)合物結(jié)構(gòu)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)，且并非以一種固定的模式結(jié)合，而是存在多種不同的結(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)以避免空間上的阻礙并協(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，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，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。

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和清華大學(xué)的支持。

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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