科学家识破病毒入侵的“帮凶”
分类:www.bwin88.com

科学家破解基孔肯雅病毒入侵机制

本文系生物谷原创编译,欢迎分享,转载须授权!

内容摘要:由曹雪涛院士领衔的科研队伍,通过系统性研究抗病毒天然免疫识别与调控分子机制,发现了数种蛋白分子参与此过程并提出了病毒逃逸天然免疫监控的独特方式。 ...

在国家重点研发计划“畜禽重大疫病防控与高效安全养殖综合技术研发”专项支持下,中国科学院微生物所高福院士团队与中国科学院北京生科院及天津工业生物技术研究所合作,首次从分子水平阐释了基孔肯雅病毒(Chikungunya virus,CHIKV)囊膜表面E蛋白(CHIKV E)与其细胞受体MXRA8分子的相互作用机制,揭示了此类病毒入侵细胞的分子机制。

武汉病毒所揭示乙型脑炎病毒入侵机制 图片 1

5月9日,中国科学院高福团队在《细胞》杂志上发表了题为Molecular Basis of Arthritogenic Alphavirus Receptor MXRA8 Binding to Chikungunya Virus Envelope Protein 的文章,首次从分子水平阐释了基孔肯雅病毒囊膜表面E蛋白与其细胞受体MXRA8分子的相互作用机制,揭示了此类病毒入侵细胞的分子机制,为抗病毒药物开发及新型疫苗设计提供了新靶点。基孔肯雅热(Chikungunya fever, CHIKF)是一种由基孔肯雅病毒(Chikungunya virus,CHIKV)引起,经蚊虫叮咬传播的急性发热性传染病。该病毒病过去主要分布在非洲、南亚、东南亚热带和亚热带地区。近年来,随着全球变暖和现代交通工具等因素,该病毒疫情呈不断暴发和蔓延的趋势。2005年以来疫情在东南亚和南亚地区再度暴发,2007年疫情传播至欧洲,2013年疫情开始在加勒比海地区、美国以及南美洲等地暴发流行,造成了数百万人感染。人感染该病毒后可致急性或慢性的外周关节痛或关节炎,严重时致人死亡,目前尚无特异性的治疗方法和疫苗,使得该病毒引起人们的广泛关注,也是重要的全球性公共卫生问题之一。与该病毒亲缘关系较近,同样能引起关节炎的甲病毒还包括马亚罗病毒(Mayaro virus)、罗斯河病毒(Ross River virus)、阿尼昂尼昂病毒(O nyong- nyong virus)等。病毒侵入细胞的第一步依赖于病毒囊膜蛋白与宿主受体的相互作用。过去的研究认为,CHIKV等多种致关节炎甲病毒囊膜表面含有80个三聚体形式的刺突E蛋白,每个三聚体由三个E1/E2二聚体组成,其中E1蛋白参与膜融合,E2蛋白参与受体的结合。近来研究报道表明,基质重塑相关蛋白8(Matrix remodeling-associated protein 8,MXRA8)分子是CHIKV等多种致关节炎甲病毒的受体。MXRA8是一种在上皮细胞、髓细胞及间充质干细胞表达的黏附分子,广泛分布于形成软骨、肌肉和骨骼的细胞表面。但是,MXRA8分子如何介导病毒入侵却是未解之谜。高福团队深入研究了MXRA8分子介导CHIKV的入侵机制。首先,他们利用结构生物学的技术和方法解析了小鼠MXRA8的晶体结构,表明MXRA8分子胞外段由两个免疫球蛋白样结构域构成,但其两个Ig样结构域呈现独特的拓扑结构。结构域1由两个不连续的片段构成,而结构域2插在了D1的两个片段之间,这导致D1和D2之间有两个柔性铰链(Hinge loop)连接,这与以往所有报道的含有两个Ig样结构域的蛋白都不同。因此,他们首次提出MXRA8是一种新型的Ig样受体分子,并具有独特的拓扑结构及结构域间组装形式。为进一步阐明CHIKV E与受体MXRA8相互作用机制,研究团队解析了人MXRA8与CHIKV E复合物的晶体结构,他们发现MXRA8与CHIKV E采用一种独特的3:3的结合模式,MXRA8结合到病毒表面三聚体刺突蛋白两个E蛋白单体间的“峡谷”中,形成非常紧密的结合模式。其中E1和E2均参与结合,MXRA8的两个结构域及铰链区均与E1和E2蛋白发生相互作用。随后他们利用冷冻电镜技术解析了人MXRA8与CHIKV病毒样颗粒的复合物结构,证明了MXRA8在病毒表面的结合模式跟晶体结构所观察到的结合模式一致,并通过点突变及表面等离子共振方法对结合关键氨基酸进行了验证。该研究首次“看清”了基孔肯雅病毒和受体相互作用的分子模式,为一种新型的病毒-受体结合模式,同时纠正了过去对基孔肯雅病毒和受体相互作用的一些错误认识。MXRA8因其独特的拓扑结构排布而与其他I型跨膜蛋白不同,其N端D1结构域不是远膜端结构域,而实为近膜端结构域。在复合物结构中,MXRA8的D1结构域深深地插入到CHIKV三聚体刺突E蛋白的“峡谷”中,这就需要近膜端的颈部区有足够的长度和柔性。通过一系列MXRA8茎部区截短体和病毒及细胞水平功能实验发现,MXRA8中长达48个氨基酸的茎部区为病毒入侵所必需,其足够长且具有柔性,被病毒利用作为受体入侵细胞。此项研究首次揭示了致关节炎甲病毒CHIKV与MXRA8受体相互作用机制,证实了MXRA8是一种具有独特的拓扑结构及结构域间组装形式的新型Ig样受体分子,并发现了此类致关节炎甲病毒和受体相互作用是一种新型的病毒-受体结合模式。这些研究结果为新型疫苗及广谱中和抗体的研发提供了理论指导,为抗病毒药物设计提供了新靶点。中科院北京生命科学研究院助理研究员宋豪及微生物所硕士生赵振楠、助理研究员柴彦为论文的并列第一作者,中科院院士高福和中科院天津工业生物技术研究所副研究员高峰为论文共同通讯作者。微生物所研究员齐建勋、施一、严景华及巴西FIOCRUZ基金会卫生技术发展中心主任Carlos Morel给予了大力支持。该研究得到科技部重点研发计划、中科院战略性先导科技专项项目、国家科技重大专项、国家自然科学基金以及中科院青促会、中国科协“青年人才托举工程”等的经费支持。文章链接: )

致关节炎甲病毒(arthritogenic alphavirus),比如基孔肯雅病毒(Chikungunya virus, CHIKV),在全世界引起严重的让人虚弱的风湿性疾病,从而导致严重的发病率和经济成本。

天然免疫细胞通过一种诱导基因在细胞内识别入侵人体的RNA病毒,并诱导干扰素产生以清除病毒。但是,一种特殊的膜分子能抑制对RNA病毒的识别以及干扰素产生,从而成为RNA病毒逃逸机体天然免疫的帮凶。

基孔肯雅热是一种由基孔肯雅病毒引起,经蚊虫叮咬传播的急性发热性传染病,人感染该病毒后可致急性或慢性的外周关节痛或关节炎,严重时致人死亡,目前尚无特异性的治疗方法和疫苗,使得该病毒引起人们的广泛关注,也是重要的全球性公共卫生问题之一。病毒侵入细胞的第一步依赖于病毒囊膜蛋白与宿主受体的相互作用。近来研究报道表明,基质重塑相关蛋白8(Matrix remodeling-associated protein 8,MXRA8)分子是基孔肯雅病毒等多种致关节炎甲病毒的受体,广泛分布于形成软骨、肌肉和骨骼的细胞表面,是一种在上皮细胞、髓细胞及间充质干细胞表达的黏附分子。但是,MXRA8分子如何介导病毒入侵却是未解之谜。

中国科学院武汉病毒研究所研究员肖庚富领导的科研团队在乙型脑炎病毒(Japaneseencephalitisvirus,JEV)囊膜蛋白介导病毒入侵宿主细胞分子机制研究方面取得新进展,相关研究结果Structure-basedmutationalanalysisofseveralsitesintheEprotein:ImplicationsforunderstandingtheentrymechanismofJapaneseencephalitisvirus近日在病毒学期刊Journalofvirology上在线发表。

图片 2

天然免疫是机体抵抗病原微生物感染的第一道防线,但是狡猾的病毒却能逃脱这道防线的监控,侵入人体,造成急性感染,甚至导致慢性持续性感染。机体天然免疫系统如何清除病毒而病毒又是如何逃逸免疫清除作用的呢?中国工程院院士曹雪涛研究团队通过系统性研究抗病毒天然免疫识别与调控分子机制,发现了数种蛋白分子参与此过程并提出了病毒逃逸天然免疫监控的独特方式。这些系列性发现为研发抗病毒药物提供了新思路。相关论文发表在《细胞》《自然免疫学》等一流国际期刊上。

高福院士领导的团队通过解析小鼠MXRA8、人MXRA8与CHIKV E的晶体结构以及人MXRA8与基孔肯雅病毒样颗粒的复合物冷冻电镜结构,系统研究了MXRA8分子介导基孔肯雅病毒的入侵机制,证实了MXRA8是一种具有独特的拓扑结构及结构域间组装形式的新型Ig样受体分子,并发现了此类致关节炎甲病毒和受体相互作用是一种新型的病毒-受体结合模式,是该领域的标志性成果。这些研究结果为该类病毒跨种感染与传播机制深入研究提供了科学思路与基础,为新型疫苗与广谱中和抗体的研发及抗病毒药物设计提供了理论指导与新靶点。

乙脑病毒是和黄热病毒、登革热病毒、西尼罗病毒同一属的虫媒黄病毒,可感染蚊子、鸟、猪,人为其终末宿主,并引起病毒性脑炎。乙脑病毒已经从日本等亚洲地区传播到澳大利亚约克角半岛,给世界公共卫生安全带来日趋严重的威胁。乙脑病毒表面的囊膜蛋白E介导病毒入侵宿主细胞,包括病毒与细胞受体结合、受体介导内吞、低pH诱导病毒膜与胞内体膜的融合过程。

图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.04.008。

目前发现,巨噬细胞、树突状细胞等天然免疫细胞是机体能够感知与识别外源病原体入侵的重要“卫士”,天然免疫细胞能够通过RIG—I在细胞内识别入侵病毒RNA,并诱导I型干扰素产生,以清除病毒。艾滋病病毒、SARS病毒、禽流感病毒等均属RNA病毒。“既然RNA病毒能够逃过天然免疫机制的虎视眈眈,我受阴生阳、阳生阴的中国传统太极思想的启发,猜测可能有另一种负向调控天然免疫的机制,抑制了能够清除病毒的干扰素的产生。”曹雪涛说。

论文第一作者、助理研究员刘海滨等系统地分析了乙脑病毒囊膜蛋白的结构,认为16个关键氨基酸位点或区段对病毒入侵可能至关重要,利用定点突变技术将16个突变引入E基因,并通过反向遗传操作系统构建一系列E蛋白单点突变或区段缺失的重组病毒。他们意外地发现,10个突变不能有效地产生子代病毒颗粒,其中5个突变R9A和I0、ij、BC、FG破坏了病毒颗粒的包装,另外5个突变E373A、F407A、L221S、W217A和kl阻滞了病毒颗粒的释放。随后,他们以野生型病毒为对照,重点检测能够生产感染性颗粒的6种突变病毒株的进入活性。实验发现以往被普遍认为是受体结合域的糖基化位点N154和DEloop并不是乙脑病毒进入哺乳动物细胞BHK-21的关键位点,其突变对病毒入侵没有显着性影响。H144和H319两个正电氨基酸参与囊膜蛋白“盐桥”的形成,T410和Q258则参与病毒-细胞膜融合“拉链”的形成,这4个位点中任一位点的单点突变都会抑制病毒-细胞膜融合。最后,连续传代几个突变病毒株并进行测序分析发现:大部分适应性突变发生在囊膜蛋白表面,主要是由负电氨基酸突变为正电或不带电荷的氨基酸,某些适应性突变能够很好地恢复前述定点突变病毒株的入侵活性。

曾经一度局限于东半球的基孔肯雅病毒自从2013年在加勒比地区发现携带这种病毒的蚊子以来,已感染了美洲100多万人。大多数感染者会出现发烧和关节疼痛,这些症状持续一周左右。但在多达一半的患者中,这种病毒可导致严重的持续数月或数年的关节炎。没有治疗方法可阻止短期的基孔肯雅病毒感染进展到慢性关节炎。

由曹雪涛院士领衔的第二军医大学医学免疫学国家重点实验室与浙江大学免疫学研究所、中国医学科学院医学分子生物学国家重点实验室组成攻关团队,从多个角度验证了这一“猜想”。例如,团队筛选到RNA病毒感染巨噬细胞之后能够特异性诱导表达的一个膜分子——Siglec—G,它能够在巨噬细胞和树突状细胞中使用“障眼法”,反馈性地帮助病毒抑制其诱导的I型干扰素的产生,从而让RNA病毒入侵畅通无阻。

论文共同作者之一、黄病毒专家张波认为,此项研究揭示了乙脑病毒囊膜蛋白关键位点在病毒组装、释放和进入过程中的作用,为进一步理解其它黄病毒的入侵机制做出了贡献。从遗传进化上看,黄病毒科病毒的囊膜蛋白均高度保守,入侵活性致弱的乙脑病毒囊膜蛋白突变株H144A、H319A、T410A和Q258A可为其它黄病毒减毒活疫苗的研究与开发提供重要的借鉴。

2018年,一个研究团队已鉴定出在关节中的细胞外表面上发现的蛋白Mxra8,是基孔肯雅病毒及其相关病毒入侵小鼠、人类和其他物种中细胞的分子把柄,即细胞表面蛋白Mxra8是基孔肯雅病毒及其相关病毒入侵宿主细胞的进入受体。

虽然属于基础研究范畴,但这一发现能够带来的应用前景被业内专家看好。“为了解免疫与疾病的关系、疫苗研发、临床疾病的免疫诊治与判断预后等应用转化研究提供了理论依据。”曹雪涛说。

该研究得到了纳米研究国家重大科学研究计划和国家自然科学基金青年项目的资助。

Mxra8的人类版本和小鼠版本存在79%的同源性,而且基孔肯雅病毒以相同的方式与这两个版本相互作用。病毒需要与这种蛋白结合才能引起疾病;在小鼠中,利用阻断抗体或诱饵受体阻止基孔肯雅病毒试图结合这种蛋白可减少关节炎的迹象。

在长期的医学基础研究过程中,曹雪涛认为长期稳定的基金资助对于基础性科学研究十分关键:“我得到了自然科学基金创新团队连续三届长达9年的资助。如果没有稳定支持,项目很可能半途而废。”

在一项新的研究中,中国科学院北京生科院、微生物研究所高福(George F. Gao)课题组和中国科学院天津工业生物技术研究所、遗传与发育生物学研究所Feng Gao课题组解析出小鼠MXRA8、人MXRA8与基孔肯雅病毒E蛋白结合在一起时的晶体结构,以及人MXRA8和基孔肯雅病毒样颗粒的低温电镜结构。相关研究结果近期在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Molecular Basis of Arthritogenic Alphavirus Receptor MXRA8 Binding to Chikungunya Virus Envelope Protein”。

同时,曹雪涛认为,随着国家自然科学基金资助体系的不断完善,对目前中国国内研究团队的发展尤其有利。“比如对团队中年轻的科研工作者的资助,不仅有青年基金、优青基金、杰出青年基金,还有资助研究团队的创新基金,很多年轻学者因此得到了科研生涯中的第一桶金而奋进于科研大道上。”

这些研究人员发现蛋白受体MXRA8拥有两个具有独特拓扑结构的Ig样结构域。这种受体结合到基孔肯雅病毒颗粒表面三聚体刺突蛋白的两个E蛋白单体之间的“峡谷”中。在基孔肯雅病毒E蛋白和MXRA8之间的结合界面的原子细节揭示出MXRA8的这两个Ig样结构域和连接这两个结构域的铰链区参与与来自基孔肯雅病毒的E1-E2蛋白氨基酸残基之间的相互作用。此外,MXRA8的茎部区(stalk region)对基孔肯雅病毒入侵宿主细胞至关重要。

这些发现为开发针对这些致关节炎甲病毒的治疗对策提供了重要信息。它们有助于筛选实验药物,评估实验性疫苗产生的抗体是否有可能预防感染,并分析病毒中的突变是否会影响它们的毒力。

原始出处:Hao Song et al. Molecular Basis of Arthritogenic Alphavirus Receptor MXRA8 Binding to Chikungunya Virus Envelope Protein. Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.04.008.

本文由必赢棋牌官网发布于www.bwin88.com,转载请注明出处:科学家识破病毒入侵的“帮凶”

上一篇:思念穆藕初破壳日140周年研讨会在沪举行 下一篇:没有了
猜你喜欢
热门排行
精彩图文