背靠背Cell | 高福/高峰合作团队等破解基孔肯雅病毒入侵机制

撰文 | 小白薯

责编 | 兮

基孔肯雅病毒（Chikungunya virus，CHIKV）是一类可引起发热、皮疹和关节疼痛的虫媒传播病毒，过去主要集中在非洲和亚洲的热带及亚热带一些地区流行。随着全球变暖和现代交通工具等因素，近年来该病毒疫情呈不断暴发和蔓延的趋势。2005年以来相继在东南亚和南亚的一些地区暴发，2007年疫情传播至欧洲，2013年开始扩散至加勒比群岛、美国、及南美洲如巴西、玻利维亚和哥伦比亚等国家，造成数百万人的感染。病毒感染后可致急性和慢性的外周关节痛、关节炎，严重时会致人死亡。因其所导致的持续数月甚至数年的关节疼痛及大规模疫情暴发流行，使得该类病毒引起人们的广泛关注。基孔肯雅病毒自1952年首次被分离，属于披膜病毒科甲病毒属，是通过虫媒传播的具有囊膜的单股正链RNA病毒。与它亲缘关系较近的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是病毒囊膜蛋白与宿主受体的相互作用。过去的研究认为基孔肯雅病毒等甲病毒囊膜表面有80个三聚体形式的刺突E蛋白，每个三聚体包含三个E1/E2组成的二聚体。其中E1被认为参与膜融合，E2蛋白参与与受体结合。近来的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。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上。但是MXRA8分子如何介导病毒入侵却是未解之谜。此外，目前也没有该类病毒的特定疫苗或疗法。

2019年5月9日，中国科学院北京生科院、微生物研究所高福院士团队与中科院天津工业生物技术研究所高峰研究团队在Cell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蛋白与其细胞受体基质重塑相关蛋白8（MXRA8）分子相互作用的机制，揭示了此类病毒入侵细胞的分子机制，为抗病毒药物设计及新型疫苗设计提供了新靶点。

研究人员利用结构生物学的技术和方法首先解析了小鼠MXRA8（mMXRA8）的晶体结构。研究显示MXRA8由两个免疫球蛋白（Ig）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（D1）由两个不连续的片段构成，而结构域2（D2）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。因此他们提出MXRA8是一种新型的Ig样受体分子，具有独特的拓扑结构及结构域间组装形式。

 图1. 小鼠MXRA8的三维结构

为了进一步阐明CHIKV E与受体MXRA8相互作用机制，他们解析了人MXRA8（hMXRA8）与CHIKV E复合物的晶体结构。研究结果显示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。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。随后研究人员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（SPR）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，并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，发现了一种新型的病毒-受体结合模式。

 图2. CHIKV E与人MXRA8复合物结构

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。

 图3 MXRA8茎部区对CHIKV入侵很关键

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。

此项研究首次揭示出致关节炎甲病毒CHIKV与MXRA8受体相互作用机制，研究证实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。

图4. CHIKV利用MXRA8入侵细胞的分子机制模型

据悉，中科院北京生科院助理研究员宋豪及微生物所硕士生赵振楠、助理研究员柴彦为本文的并列第一作者，高福院士和中科院天津工业生物技术研究所高峰副研究员为论文共同通讯作者。微生物所齐建勋研究员、施一研究员、严景华研究员及巴西FIOCRUZ基金会卫生技术发展中心主任Carlos Morel教授参与了课题研究。

值得一提的是，Cell同期背靠背发表了华盛顿大学医学院Daved H. Fremont和Michael S. Diamond博士课题组题为Cryo-EM Structure of Chikungunya Virus in Complex with the Mxra8 Receptor的研究论文，通过Cryo-EM方法解析了基孔肯雅病毒和受体Mxra8的相互作用机制。

在这篇文章中，作者解析了小鼠Mxra8胞外结构域的晶体结构，并通过冷冻电镜技术，重构了基孔肯雅病毒样颗粒和感染性病毒结合或者不结合小鼠Mxra8的电镜结构，分辨率在4-5 Å，得出类似的结论。

总的来说，这两篇背靠背文章的发表揭示了CHIKV入侵细胞的分子机制，提供了此类致关节炎甲病毒结合其受体MXRA8的的相互作用模式，并为开发针对此类甲病毒感染过程的抑制剂提供新的视角，为新型疫苗设计提供依据。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.04.008

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.04.006

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