汉坦病毒表面糖蛋白晶格及其融合调控机制

来源：BioArt

啮齿动物携带的汉坦病毒形成了一组分布于世界各地的相近病毒群体，它们可导致严重肺部疾病 (NWHs) 和肾综合征出血热 (OWHs) 等危及生命的人畜共患病爆发。这些疾病很严重，并且没有有效的治疗方法。吸入被感染的啮齿动物排泄物污染的气溶胶是汉坦病毒主要的传播途径。

汉坦病毒基因组由三条单股、负链RNA片段组成：小、中和大。中片段编码一种多蛋白前体，该前体在内质网中经过信号酶切割而成熟，产生两种包膜糖蛋白Gn和Gc。Gn与膜融合蛋白Gc相互作用，使Gc在Gn/Gc异二聚体中保持亚稳定的融合前构象。前聚体进一步结合成 (Gn/Gc)4四聚体刺突 (spike)。

汉坦病毒正方形表面晶格最初是通过负染色电子显微镜观察到的，后来通过对图拉病毒颗粒的冷冻电子断层扫描 (cET) 研究和对HTNV病毒颗粒刺突的单颗粒平均进行了表征。但是刺突的实际组织以及Gn和Gc之间的分子相互作用仍然模糊不清。

2020年9月15日，牛津大学罗斯福路韦尔科姆人类遗传学中心结构生物学部Felix A. Rey和Pablo Guardado-Calvo研究团队在Cell上发表了一篇题为“The Hantavirus Surface Glycoprotein Lattice and Its Fusion Control Mechanism”的论文，描述了汉坦病毒Gc/Gn头（GnH）异二聚体和Gn基（GnB）同四聚体的高分辨率X射线结构。当将它们锚定在11.4埃分辨率的汉坦病毒表面冷冻电子断层扫描图中，呈现了病毒糖蛋白壳的完整膜外部分，并详细描述了这些多形病毒体的表面组织。作者的研究结果进一步揭示了控制Gc膜插入融合的内置机制，为设计免疫原以预防病原性汉坦病毒铺平了道路。

本文中，作者首先构建了汉坦病毒GnH/Gc异二聚体的可溶性外域，其中可溶性接头绕过Gn跨膜区和病毒内/胞质区，直接连接到Gc的N末端 (图1A和1B)。作者随后获得了3.2埃分辨率的ANDV和2.2埃分辨率的Maporal病毒 (MAPV)的X射线结构，发现两者都显示GnH附着在Gc的顶端 (tip) (图1B)。

图1.汉坦病毒表面糖蛋白的X射线结构

作者随后获得了Gn基 (GnB，外域的第三个C末端) 的1.9埃分辨率的X射线结构，结果表明它形成了一个紧密的四聚体，包含一个以免疫球蛋白超家族折叠为特征的N端b夹心 (aa 379- 446)，随后是一个C端a螺旋发夹 (图2) 。作者还发现沿着GnB四聚体 (图2) 的侧面存在一个反应性的、带正电荷的凹槽，该凹槽呈放射状延伸，并且放置得很好，以适应刺突中Gc茎 (stem) 的极性N末端片段中的Glu1066侧链，进一步加强了四聚体刺突内部的相互作用。

图2. ANDV GnB四聚体的侧视结构图

以上发现的汉坦病毒糖蛋白结构明确地符合图拉病毒Gn/Gc刺突的cET图，作者利用STA将cET图精确到11.4埃的分辨率，证实了在晶体中GnH/Gc和GnB构象确实对应于它们在传染性汉坦病毒颗粒刺突中的活性形式，并提供了表面糖蛋白晶格的完整模型 (图3)。

图3.

GnH/Gc结构也揭示，与其他II类融合蛋白不同，在融合前构象中，Gn发挥防止病毒颗粒的靶膜插入面（TMIS）过早形成的作用，值得注意的是，GnH在酸性PH下释放并诱导Gc结构域ii末端进一步构象变化，以暴露非极性侧链，用于Gc插入细胞内体膜。鉴于包膜糖蛋白之间的高度氨基酸序列相似性，本文提出的模型有望适用于所有汉坦病毒。此外，因为结构域ii末端与其在奈洛病毒和原布尼亚病毒中的对应物显示出明确的氨基酸序列保守性，所以观察到的保护机制可以潜在地推断这些更远的人类致病性布尼亚病毒的融合机制。

此外，作者还发现汉坦病毒的整体刺突组织表现出与 α 病毒刺突惊人的相似之处。作者发现的结构支持以下假设，即四聚体刺突在内质网中早期形成，然后被运输到高尔基体腔内。因为聚糖链埋在四聚体中，因此无法被糖基转移酶修饰。由于糖链被掩埋，它们不像其他病毒那样被用作逃避免疫系统的屏障，也不像 α 病毒、黄病毒或静脉病毒那样被用作细胞附着因子。相反，聚糖似乎通过形成内部支架来发挥内在的结构作用。