高福院士连发三篇Cell文章:病毒“双受体系统”入侵机制

日期: 2019年05月17日


    

高福(George Fu Gao)院士研究组主要从事病原微生物跨种间传播机制与结构免疫学,尤其是有关T细胞识别、艾滋病病毒等囊膜病毒侵入的分子机制、禽流感等动物源性病原跨种间传递的机制的研究。近期其研究组连发多篇Cell文章,报道病毒作用新机制。

 

5月16日高福团队与北京大学魏文胜团队,首都医科大学附属北京儿童医院谢正德团队联合,在Cell杂志上发表了题为“Human neonatal Fc receptor is the cellular uncoating receptor for Enterovirus B”的文章。

 

该论文中,研究人员利用CRISPR筛选技术,发现人类新生儿Fc受体(human neonatal Fc receptor, FcRn)是多个B族肠道病毒的通用脱衣壳受体,并通过解析病毒与其吸附受体(attachment receptor)和脱衣壳受体(uncoating receptor)在不同pH条件下复合物的原子/近原子水平高分辨率电镜结构,从分子水平揭示了“双受体系统”中两种受体的不同作用机制,系统地阐明了肠道病毒感染宿主细胞的入侵机制。这项研究在B族肠道病毒的致病研究和药物开发,非囊膜病毒的入侵机制研究方面均具有重要意义。

 

B族肠道病毒(Enterovirus B ,EV-B)属于小RNA病毒科(Picornaviridae),肠道病毒属(Enterovirus)。包括埃可病毒(Echovirus),柯萨奇病毒B,柯萨奇病毒A9,以及多个新发现的B族肠道病毒血清型。 B族肠道病毒感染是常见的新生儿期感染性疾病病因之一,可导致新生儿和青少年病毒性脑炎,脑膜炎,脑膜脑炎等疾病,部分病例留有严重后遗症,严重时可致命。还可导致急性驰缓性瘫痪(AFP),非特异性皮疹,肝炎,肺炎,凝血障碍和手足口等疾病。

 

2019年5月11日,广东省卫生健康委员会查办了一起发生在南方医科大学顺德医院的严重医疗事故,这是由肠道病毒(埃可病毒11型)导致的医院感染事件,造成了5例患有新生儿肺炎等基础疾病的患儿死亡。在我国,埃可等B族肠道病毒长期以来是很大一部分儿童脑炎,脑膜炎病例的致病病原,长期范围内在多个省份均有感染病例。此外,在世界范围的流行造成的公共卫生事件也均有报道。但是此前,除柯萨奇病毒B之外,埃可病毒等大多数B族肠道病毒的致病机制以及跨越血脑屏障机制尚不清楚,决定其感染细胞的关键受体尚未发现和报道。导致埃可等B族肠道病毒无特异性药物,无疫苗,无用于药物疫苗研发的动物模型。因此,研究团队进行了埃可等B族肠道病毒的受体和入侵机制相关研究。

 

研究人员选取其中致病性较强的血清型埃可病毒6型(Echo 6),通过CRISPR-Cas9膜蛋白基因组筛选技术,发现人类新生儿Fc受体是病毒入侵细胞的一个关键受体。新生儿Fc受体是由FCGRT基因表达的α链和β2-微球蛋白共同组成的异源二聚体,是一个重要的免疫因子,其主要功能有从母体通过胎盘向胎儿转运保护性抗体,帮助新生儿从肠道吸收母乳中的抗体,以及在成人体内介导抗体“回收”等。该研究发现,这种对胎儿和婴幼儿起重要作用的免疫因子可以被B族肠道病毒“绑架”,作为其入侵宿主细胞的关键受体。

 

这项研究中,研究人员检测了B族肠道病毒各进化分支中具代表性的17个毒株(分属15个血清型),除Echo 6, Echo 30的两个原型株外,均为我国近年来的流行株。检测发现,除柯萨奇B4,B5之外,其余15个毒株均依赖于FcRn来完成其感染过程,其中包括致病性较强的柯萨奇病毒A9,埃可病毒6,9,11,30等。该研究揭示了FcRn是B族肠道病毒的一个通用受体。

 

研究还发现,与之前报道的埃可病毒表面吸附受体不同(如CD55等),FcRn是一个脱衣壳受体。当病毒颗粒与受体直接结合后,在生理条件下以及在受体和脂质膜的共同作用下,病毒完成了入侵细胞时必须的脱衣壳过程,最后将遗传物质释放到宿主细胞内。

 

为了进一步阐明病毒和受体的互作机制, 研究人员利用冷冻电镜技术,解析了Echo 6病毒,及Echo 6病毒与其吸附受体CD55的复合物,脱衣壳受体FcRn的复合物,在不同pH条件下的原子/近原子水平高分辨率电镜结构(共7个电镜结构,2.9-3.8 ?)。

 

结果表明,Echo 6及Echo 6-CD55的复合物在中性和酸性pH条件下均稳定。FcRn结合在正二十面体病毒表面由VP1蛋白形成的“峡谷”(Canyon)样结构部位。在酸性条件下,FcRn诱导病毒表面蛋白发生变构,使得峡谷内部维持病毒粒子稳定性的脂类分子(又称“口袋因子”,pocket factor)释放,从而起始脱衣壳和遗传物质释放过程。

 

这项研究首次在近原子水平的病毒-受体复合物结构中捕捉到pocket factor释放的中间态;首次在分子水平清晰展示介导脂类分子转运口袋附近关键氨基酸的构象变化;并首次以原子/近原子水平高分辨率电镜结构,系统阐明了非囊膜病毒入侵过程中“双受体系统”的作用机制。

 

另外,在同期Cell上,这一研究组也对两篇发表在Cell,一篇发表在Cell Host & Microbe杂志的文章进行了评述。这三篇文章报道了隐藏在HA三聚体头部区的新表位,HA分子通过病毒“呼吸”暴露出这类表位,从而使机体产生识别该表位的抗体。然而该类抗体并不具有中和活性,但却对感染不同亚型甲型流感病毒的小鼠具有保护效果。

 

两篇Cell文章分别通过抗体Fc段突变和替换不同IgG亚型的Fc段证明这类抗体是通过抗体依赖的细胞介导的细胞毒性(ADCC)和补体依赖的细胞毒性(CDC)起作用。除了已经存在的HA茎部区和位于头部区受体识别位点以外,这类隐藏表位对于通用疫苗的研发具有重要意义。

 

已有研究表明在酸性和中性pH条件下,流感病毒表面的HA分子展现出一定程度的可逆的“呼吸”样构象动态变化。类似的现象在登革病毒(DENV)、免疫缺陷性病毒(HIV)和中东呼吸综合征病毒(MERS-CoV)中也被观察到,而且已有研究报道了可识别在登革病毒“呼吸”过程中暴露出的E蛋白隐藏表位的中和抗体及其作用机制。

 

文章系统总结了这三篇文章报道的隐藏表位的异同,并强调不能忽略没有中和活性的抗体,它们有可能是有保护效果的。文章还对今后通用疫苗的研究做了展望:除了茎部区,位于头部区的隐藏表位不会造成病毒在免疫压力下发生抗原漂变,因此也应该被考虑加入到通用疫苗的组分中。

 

一周前,高福院士研究组发文,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。

 

原文标题:

Human neonatal Fc receptor is the cellular uncoating receptor for Enterovirus B

“Breathing”hemagglutinin reveals cryptic epitopes for universal influenza vaccine design

Molecular Basis of Arthritogenic Alphavirus Receptor MXRA8 Binding to Chikungunya Virus Envelope Protein

 

转载标题:高福院士连发三篇Cell文章:病毒“双受体系统”入侵机制

 

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