科學(xué)家破解基孔肯雅病毒入侵機(jī)制
5月9日，中國(guó)科學(xué)院高福團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》（Cell）雜志上發(fā)表了題為Molecular Basis of Arthritogenic Alphavirus Receptor MXRA8 Binding to Chikungunya Virus Envelope Protein 的文章，首次從分子水平闡釋了基孔肯雅病毒囊膜表面E蛋白與其細(xì)胞受體MXRA8分子的相互作用機(jī)制，揭示了此類病毒入侵細(xì)胞的分子機(jī)制，為抗病毒藥物開發(fā)及新型疫苗設(shè)計(jì)提供了新靶點(diǎn)。
基孔肯雅熱（Chikungunya fever, CHIKF）是一種由基孔肯雅病毒（Chikungunya virus，CHIKV）引起，經(jīng)蚊蟲叮咬傳播的急性發(fā)熱性傳染病。該病毒病過(guò)去主要分布在非洲、南亞、東南亞熱帶和亞熱帶地區(qū)。近年來(lái)，隨著全球變暖和現(xiàn)代交通工具等因素，該病毒疫情呈不斷暴發(fā)和蔓延的趨勢(shì)。2005年以來(lái)疫情在東南亞和南亞地區(qū)再度暴發(fā)，2007年疫情傳播至歐洲，2013年疫情開始在加勒比海地區(qū)、美國(guó)以及南美洲等地暴發(fā)流行，造成了數(shù)百萬(wàn)人感染。人感染該病毒后可致急性或慢性的外周關(guān)節(jié)痛或關(guān)節(jié)炎，嚴(yán)重時(shí)致人死亡，目前尚無(wú)特異性的治療方法和疫苗，使得該病毒引起人們的廣泛關(guān)注，也是重要的全球性公共衛(wèi)生問(wèn)題之一。與該病毒親緣關(guān)系較近，同樣能引起關(guān)節(jié)炎的甲病毒還包括馬亞羅病毒（Mayaro virus）、羅斯河病毒（Ross River virus）、阿尼昂尼昂病毒（O nyong- nyong virus）等。
病毒侵入細(xì)胞的第一步依賴于病毒囊膜蛋白與宿主受體的相互作用。過(guò)去的研究認(rèn)為，CHIKV等多種致關(guān)節(jié)炎甲病毒囊膜表面含有80個(gè)三聚體形式的刺突E蛋白，每個(gè)三聚體由三個(gè)E1/E2二聚體組成，其中E1蛋白參與膜融合，E2蛋白參與受體的結(jié)合。近來(lái)研究報(bào)道表明，基質(zhì)重塑相關(guān)蛋白8（Matrix remodeling-associated protein 8，MXRA8）分子是CHIKV等多種致關(guān)節(jié)炎甲病毒的受體。MXRA8是一種在上皮細(xì)胞、髓細(xì)胞及間充質(zhì)干細(xì)胞表達(dá)的黏附分子，廣泛分布于形成軟骨、肌肉和骨骼的細(xì)胞表面。但是，MXRA8分子如何介導(dǎo)病毒入侵卻是未解之謎。
高福團(tuán)隊(duì)深入研究了MXRA8分子介導(dǎo)CHIKV的入侵機(jī)制。首先，他們利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)的技術(shù)和方法解析了小鼠MXRA8（mMXRA8）的晶體結(jié)構(gòu)，表明MXRA8分子胞外段由兩個(gè)免疫球蛋白（Ig）樣結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，但其兩個(gè)Ig樣結(jié)構(gòu)域呈現(xiàn)獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)域1（D1）由兩個(gè)不連續(xù)的片段構(gòu)成，而結(jié)構(gòu)域2（D2）插在了D1的兩個(gè)片段之間，這導(dǎo)致D1和D2之間有兩個(gè)柔性鉸鏈（Hinge loop）連接，這與以往所有報(bào)道的含有兩個(gè)Ig樣結(jié)構(gòu)域的蛋白都不同。因此，他們首次提出MXRA8是一種新型的Ig樣受體分子，并具有獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)域間組裝形式。
為進(jìn)一步闡明CHIKV E與受體MXRA8相互作用機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)解析了人MXRA8（hMXRA8）與CHIKV E復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)MXRA8與CHIKV E采用一種獨(dú)特的3:3的結(jié)合模式，MXRA8結(jié)合到病毒表面三聚體刺突蛋白兩個(gè)E蛋白單體間的“峽谷”中，形成非常緊密的結(jié)合模式。其中E1和E2均參與結(jié)合，MXRA8的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域及鉸鏈區(qū)均與E1和E2蛋白發(fā)生相互作用。隨后他們利用冷凍電鏡技術(shù)解析了人MXRA8與CHIKV病毒樣顆粒的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，證明了MXRA8在病毒表面的結(jié)合模式跟晶體結(jié)構(gòu)所觀察到的結(jié)合模式一致，并通過(guò)點(diǎn)突變及表面等離子共振（SPR）方法對(duì)結(jié)合關(guān)鍵氨基酸進(jìn)行了驗(yàn)證。該研究首次“看清”了基孔肯雅病毒和受體相互作用的分子模式，為一種新型的病毒-受體結(jié)合模式，同時(shí)糾正了過(guò)去對(duì)基孔肯雅病毒和受體相互作用的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。
MXRA8因其獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排布而與其他I型跨膜蛋白不同，其N端D1結(jié)構(gòu)域不是遠(yuǎn)膜端結(jié)構(gòu)域，而實(shí)為近膜端結(jié)構(gòu)域。在復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，MXRA8的D1結(jié)構(gòu)域深深地插入到CHIKV三聚體刺突E蛋白的“峽谷”中，這就需要近膜端的頸部區(qū)有足夠的長(zhǎng)度和柔性。
通過(guò)一系列MXRA8莖部區(qū)截短體和病毒及細(xì)胞水平功能實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MXRA8中長(zhǎng)達(dá)48個(gè)氨基酸的莖部區(qū)為病毒入侵所必需，其足夠長(zhǎng)且具有柔性，被病毒利用作為受體入侵細(xì)胞。
此項(xiàng)研究首次揭示了致關(guān)節(jié)炎甲病毒CHIKV與MXRA8受體相互作用機(jī)制，證實(shí)了MXRA8是一種具有獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)域間組裝形式的新型Ig樣受體分子，并發(fā)現(xiàn)了此類致關(guān)節(jié)炎甲病毒和受體相互作用是一種新型的病毒-受體結(jié)合模式。這些研究結(jié)果為新型疫苗及廣譜中和抗體的研發(fā)提供了理論指導(dǎo)，為抗病毒藥物設(shè)計(jì)提供了新靶點(diǎn)。
中科院北京生命科學(xué)研究院助理研究員宋豪及微生物所碩士生趙振楠、助理研究員柴彥為論文的并列第一作者，中科院院士高福和中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員高峰為論文共同通訊作者。微生物所研究員齊建勛、施一、嚴(yán)景華及巴西FIOCRUZ基金會(huì)衛(wèi)生技術(shù)發(fā)展中心主任Carlos Morel給予了大力支持。該研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目、國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金以及中科院青促會(huì)、中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”等的經(jīng)費(fèi)支持。
圖1. 小鼠MXRA8的三維結(jié)構(gòu)
圖2. CHIKV E與人MXRA8復(fù)合物結(jié)構(gòu)
圖3 MXRA8莖部區(qū)對(duì)CHIKV入侵很關(guān)鍵
圖4. CHIKV利用MXRA8入侵細(xì)胞的分子機(jī)制模型
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院
