清华新闻网10月28日电 委内瑞拉马脑炎病毒(Venezuelan equine encephalitis virus,简称VEEV)是一种可以感染人类和所有马科动物的RNA包膜病毒,属于甲病毒家族,可以通过蚊子以及气溶胶传播,引发进行性中枢神经疾病和并发症,严重可导致死亡。此病毒在南美洲有大量感染病例报道,目前尚无疫苗和有效治疗药物。鉴于其能引发中枢神经疾病的危险性,VEEV被定为生物安全3级(BSL3)病毒。同时由于可经气溶胶高效传播,美苏在冷战期间都对该病毒进行过生物武器化研究。近期,含A类结构域的低密度脂蛋白受体3(LDLRAD3)被鉴定为VEEV的细胞受体分子,然而VEEV病毒与受体结合的分子机制尚不清楚。

  10月13日,《自然》(Nature)期刊在线发表了清华大学医学院向烨课题组和中国科学院生物物理研究所章新政课题组合作完成的研究论文“委内瑞拉马脑炎病毒与其受体LDLRAD3复合物结构”(Structure of Venezuelan equine encephalitis virus in complex with its receptor LDLRAD3)。该工作解析了委内瑞拉马脑炎病毒(VEEV)以及其和受体分子LDLRAD3复合物3.0埃高分辨冷冻电镜结构,揭示了甲病毒中核衣壳蛋白和糖蛋白相互作用的病毒颗粒组装机制以及VEEV与受体特异性结合的分子机制。

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  图1.委内瑞拉马脑炎病毒与细胞表面受体LDLRAD3结合示意图

  向烨课题组与章新政课题组合作,运用课题组前期发展的VEEV 假病毒粒子(VLP)制备方法以及新型重构算法,成功解析了VEEV 假病毒粒子(VLP)以及其和受体复合物的高分辨冷冻电镜结构。该复合物结构展示了LDLRAD3蛋白的胞外区结构域D1,通过疏水作用和极性作用插入到VEEV两个相邻病毒刺突糖蛋白E1/E2形成的裂缝之间,在病毒表面形成受体和E1/E2二聚体1:1的结合。通过结构分析,鉴定了LDLRAD3-D1与VEEV结合的关键氨基酸残基,并利用定点突变实验验证了结构中观察到的关键相互作用位点。同时发现其中LDLRAD3-D1第41位氨基酸的突变可以使受体与病毒的结合能力提升大约10倍, 具有作为VEEV高效抑制剂的潜能,基于此两个课题组也联合申请了相关发明专利。作为甲病毒家族的第一个高分辨结构,该结构首次揭示了甲病毒突刺糖蛋白和核衣壳蛋白相互作用详细分子基础,并纠正了早期基于低分辨结构的一些错误认知。

  其它甲病毒例如基孔肯雅病毒与受体Mxra8的结合位置也部分位于刺突蛋白间的裂缝之中,但是基孔肯雅病毒在其刺突E蛋白间的裂缝处缺乏与LDLRAD3-D1形成关键盐桥作用的氨基酸,显示两种甲病毒虽然结合受体分子部位部分重合,但是关键位点氨基酸的不同造成受体结合的选择性差异。

  同期《自然》期刊也刊登了来自美国圣路易斯华盛顿大学麦克·迪蒙德(Michael S. Dimond)与大卫·弗里蒙特(Daved H. Fremont)研究组4.2埃分辨率VEEV与LDLRAD3复合物结构研究。

  中国科学院生物物理研究所章新政研究员、清华大学医学院向烨研究员为该论文的共同通讯作者,向烨课题组博士研究生马丙婷、章新政组博士研究生黄翠清和副研究员马军为论文的共同第一作者。这项工作得到了中国科技部重点研发项目和清华大学春风基金、国家自然科学基金、中国科学院战略重点研究计划、中国科学院前沿科学重点研发计划的基金支持,此外还得到了北京生物结构前沿研究中心、北京结构生物学高精尖创新中心、中科院青年创新促进会和北京市科技新星计划的支持。