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《微生物所发现肠道病毒通用受体并解析病毒入侵机制》

  • 来源专题：生物科技领域知识集成服务
  • 编译者： 陈方
  • 发布时间：2020-04-08

  • B族肠道病毒包括埃可病毒，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等疾病，严重时可致命。2019年5月16日，中国科学院微生物研究所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对埃可等B族肠道病毒的受体和入侵机制进行了相关研究，发现人类新生儿Fc受体是多个B族肠道病毒的通用脱衣壳受体，同时从分子水平揭示了“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。
    在这项研究中，研究人员利用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。Fc受体作为一个重要的免疫因子，可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等。然而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，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。在酸性条件下，Fc受体诱导病毒表面蛋白发生变构，使得VP1蛋白形成的“峡谷”样结构部位内部维持病毒粒子稳定性的脂类分子（口袋因子）释放，从而起始脱衣壳和遗传物质释放过程。
    本研究在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。相关研究成果发表在Cell杂志上。

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  • 《微生物研究所发现B族肠道病毒通用受体并解析病毒利用“双受体系统”入侵的作用机制》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2019-05-21
    • 2019年5月16日，中国科学院微生物研究所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。本研究在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。 本研究中，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。本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。 中国科学院微生物研究所助理研究员赵欣，北京大学博士后张桂根，中国科学技术大学与中国科学院微生物研究所联合培养博士生刘升，首都医科大学附属北京儿童医院副研究员陈祥鹏为本文的并列第一作者；高福院士和北京大学魏文胜研究员，首都医科大学附属北京儿童医院谢正德研究员为论文共同通讯作者。中国科学院苏州医工所高山研究员，中国疾控中心病毒病研究所张勇研究员，微生物所齐建勋研究员、施一研究员、严景华研究员，以及中国科学院微生物研究所，北京生命科学研究院高福院士团队成员等对本项目给予了大力支持。本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项项目、科技部重点研发计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金等的经费支持。 　　
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  • 《研究揭示肠道病毒B家族成员入侵机制及中和机理》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2020-09-09
    • 肠道病毒是人群中流行广泛的病毒之一，不同家族不同血清型在不同国家地区、不同时间维度上层出不穷。一方面，当一种血清型在某一地区大规模流行，疫苗的介入使易感人群对其产生群体免疫效力，导致该血清型被压制，但同时另外一种或几种血清型会出现，经过一段时间进化，逐渐成为感染某一特定人群的主要病原。例如，EV71疫苗出现后，我国EV71的感染人数减少，却伴随CVA10、CVA6、埃可病毒等血清型流行的增加。肠道病毒流行谱的变化提示我们有必要对一些常见的以埃可病毒为代表的流行范围较广泛的病毒血清型开展研究，为未来潜在的疫情做准备。埃可病毒30（echovirus 30， E30）型为人源性肠道病毒B家族的重要成员，是引起人病毒性脑炎和脑膜炎最主要的病原体之一；近年来，在欧洲、亚洲以及南美洲呈较大规模的季节性和周期性流行。然而，人们对该家族成员的抗原特征、免疫特性以及入侵机制却知之甚少，目前也尚无能够用于防治肠道病毒B家族成员感染的特异性药物或疫苗。 9月4日，Nature Communications以背靠背的形式在线刊发中国科学院生物物理研究所研究员王祥喜/中国科学院院士饶子和团队，联合江苏省疾病预防控制中心研究员朱凤才团队，共同完成的研究型长文Structures of Echovirus 30 in complex with its receptors inform a rational prediction for enterovirus receptor usage与Serotype specific epitopes identified by neutralizing antibodies underpin immunogenic differences in Enterovirus B subtypes。研究深入剖析E30的原子结构、细胞入侵机制及中和机理，为下一步针对肠道病毒的受体使用预测、免疫特性及该病毒家族的特异性药物或疫苗的开发奠定基础。这是该团队继完成对肠道病毒EV71，CVA16，CVA10及甲肝病毒HAV等不同生命周期的全颗粒结构和相关功能系列研究后的又一重要成果（Wang， X. et.al. Nat Struct Mol Biol 2012； Ren， J. et al. Nat Commun 2013； Luigi， De. et al. Nat Struct Mol Biol 2014； Wang， X. et al. Nature 2015； Wang， X. et al. PNAS 2017； Zhu， L. et al. mBio 2018；Zhu， L. et.al. Nat Commun 2018； Cao， L. et al. PLoS Biology 2019）。 研究人员借助冷冻电镜技术，捕获并解析处于不同生命周期的E30病毒颗粒的原子结构，即分辨率分别为3.4？、2.9？与2.9？的未成熟的空心态（E）颗粒、脱衣壳的中间态（A）颗粒以及成熟的全病毒（F）颗粒。结构分析显示，E颗粒与F颗粒均呈典型的“闭合”状态，二者表面结构非常相似，且均表现为高度有序化，提示二者可用于潜在的疫苗开发。这与该研究中基于细胞及动物水平的免疫实验结果一致。E30与肠道病毒A、B和C家族的代表性成员的结构比较显示，各成员病毒蛋白质1（viral protein 1， VP1） BC loop呈现高度不保守，提示其可作为区别不同肠道病毒血清型的重要结构特征；各成员VP1 GH loop和VP2 EF loop则相对保守，提示二者可作为设计广谱性抗肠道病毒B家族成员抗体的重要靶标。 研究人员解析分辨率分别为3.3？和3.6？的E30与其脱衣壳受体-新生儿Fc受体（human neonatal Fc receptor， FcRn）以及E30与其吸附受体-衰变加速因子（decay-accelerating factor， DAF/CD55）的复合物结构，从原子水平上阐明E30与其特异性受体识别与结合的结构基础。进一步分析发现，肠道病毒VP1 EF loop、VP1 GH loop以及VP2 EF loop共同构成肠道病毒及其脱衣壳受体识别的分子基础。基于此，研究人员利用计算不同病毒目标区域同源位点距离得到的k维向量以及不同病毒对间的距离矩阵，开发出可合理预测肠道病毒脱衣壳受体的计算方法（图1）。 此外，研究人员还筛选得到两株具较高中和活性且高度特异的单克隆抗体-6C5和4B10。竞争性表面等离子体共振（surface plasmon resonance， SPR）实验及实时荧光定量PCR（real-time PCR）实验等均提示这两株抗体是通过阻断E30及其受体的特异性结合从而发挥中和活性。相关实验表明，两株抗体具有协同互补的作用，二者的同时使用能够起到1+1>2效应。高分辨率的E30与6C5-Fab以及E30与4B10-Fab的复合物结构显示：6C5结合于病毒峡谷区的边缘而4B10结合于病毒峡谷区的内部；构成这两个中和性抗体所识别的构象型表位在肠道病毒B家族内部是相对不保守的。以上原子分辨率的结构信息为今后避开不保守区而主要针对保守区的广谱性疫苗或者药物的设计提供了重要依据。
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