Cell：中国科学家破解基孔肯雅病毒入侵机制
2019-05-13 不详 中国科学院
5月9日，中国科学院高福团队在《细胞》（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MXRA8分子的相互作用机制，揭示了此类病毒入侵细胞的分子
5月9日，中国科学院高福团队在《细胞》（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MXRA8分子的相互作用机制，揭示了此类病毒入侵细胞的分子机制，为抗病毒药物开发及新型疫苗设计提供了新靶点。
基孔肯雅热（Chikungunya fever, CHIKF）是一种由基孔肯雅病毒（Chikungunya virus，CHIKV）引起，经蚊虫叮咬传播的急性发热性传染病。该病毒病过去主要分布在非洲、南亚、东南亚热带和亚热带地区。近年来，随着全球变暖和现代交通工具等因素，该病毒疫情呈不断暴发和蔓延的趋势。2005年以来疫情在东南亚和南亚地区再度暴发，2007年疫情传播至欧洲，2013年疫情开始在加勒比海地区、美国以及南美洲等地暴发流行，造成了数百万人感染。人感染该病毒后可致急性或慢性的外周关节痛或关节炎，严重时致人死亡，目前尚无特异性的治疗方法和疫苗，使得该病毒引起人们的广泛关注，也是重要的全球性公共卫生问题之一。与该病毒亲缘关系较近，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依赖于病毒囊膜蛋白与宿主受体的相互作用。过去的研究认为，CHIKV等多种致关节炎甲病毒囊膜表面含有80个三聚体形式的刺突E蛋白，每个三聚体由三个E1/E2二聚体组成，其中E1蛋白参与膜融合，E2蛋白参与受体的结合。近来研究报道表明，基质重塑相关蛋白8（Matrix remodeling-associated protein 8，MXRA8）分子是CHIKV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。但是，MXRA8分子如何介导病毒入侵却是未解之谜。
图1. 小鼠MXRA8的三维结构
图2. CHIKV E与人MXRA8复合物结构
图3 MXRA8茎部区对CHIKV入侵很关键
图4. CHIKV利用MXRA8入侵细胞的分子机制模型
高福团队深入研究了MXRA8分子介导CHIKV的入侵机制。首先，他们利用结构生物学的技术和方法解析了小鼠MXRA8（mMXRA8）的晶体结构，表明MXRA8分子胞外段由两个免疫球蛋白（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，他们首次提出MXRA8是一种新型的Ig样受体分子，并具有独特的拓扑结构及结构域间组装形式。
为进一步阐明CHIKV E与受体MXRA8相互作用机制，研究团队解析了人MXRA8（hMXRA8）与CHIKV E复合物的晶体结构，他们发现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模式。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。随后他们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，为一种新型的病毒-受体结合模式，同时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。
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。
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。
此项研究首次揭示了致关节炎甲病毒CHIKV与MXRA8受体相互作用机制，证实了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。
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