高福院士三篇Cell揭示病毒“雙受體系統”入侵機制

　　高福（George Fu Gao）院士研究組主要從事病原微生物跨種間傳播機制與結構免疫學，尤其是有關T細胞識別、艾滋病病毒等囊膜病毒侵入的分子機制、禽流感等動物源性病原跨種間傳遞的機制的研究。近期其研究組連發多篇Cell文章，報道病毒作用新機制。

　　5月16日高福團隊與北京大學魏文勝團隊，首都醫科大學附屬北京兒童醫院謝正德團隊聯合，在Cell雜志上發表了題為“Human neonatal Fc receptor is the cellular uncoating receptor for Enterovirus B”的文章。

　　該論文中，研究人員利用CRISPR篩選技術，發現人類新生兒Fc受體（human neonatal Fc receptor, FcRn）是多個B族腸道病毒的通用脫衣殼受體，并通過解析病毒與其吸附受體（attachment receptor）和脫衣殼受體（uncoating receptor）在不同pH條件下復合物的原子/近原子水平高分辨率電鏡結構，從分子水平揭示了“雙受體系統”中兩種受體的不同作用機制，系統地闡明了腸道病毒感染宿主細胞的入侵機制。這項研究在B族腸道病毒的致病研究和藥物開發，非囊膜病毒的入侵機制研究方面均具有重要意義。

　　B族腸道病毒（Enterovirus B ，EV-B）屬于小RNA病毒科（Picornaviridae），腸道病毒屬（Enterovirus）。包括埃可病毒（Echovirus），柯薩奇病毒B，柯薩奇病毒A9，以及多個新發現的B族腸道病毒血清型。 B族腸道病毒感染是常見的新生兒期感染性疾病病因之一，可導致新生兒和青少年病毒性腦炎，腦膜炎，腦膜腦炎等疾病，部分病例留有嚴重后遺癥，嚴重時可致命。還可導致急性馳緩性癱瘓（AFP），非特異性皮疹，肝炎，肺炎，凝血障礙和手足口等疾病。

　　2019年5月11日，廣東省衛生健康委員會查辦了一起發生在南方醫科大學順德醫院的嚴重醫療事故，這是由腸道病毒（埃可病毒11型）導致的醫院感染事件，造成了5例患有新生兒肺炎等基礎疾病的患兒死亡。在我國，埃可等B族腸道病毒長期以來是很大一部分兒童腦炎，腦膜炎病例的致病病原，長期范圍內在多個省份均有感染病例。此外，在世界范圍的流行造成的公共衛生事件也均有報道。但是此前，除柯薩奇病毒B之外，埃可病毒等大多數B族腸道病毒的致病機制以及跨越血腦屏障機制尚不清楚，決定其感染細胞的關鍵受體尚未發現和報道。導致埃可等B族腸道病毒無特異性藥物，無疫苗，無用于藥物疫苗研發的動物模型。因此，研究團隊進行了埃可等B族腸道病毒的受體和入侵機制相關研究。

　　研究人員選取其中致病性較強的血清型埃可病毒6型（Echo 6），通過CRISPR-Cas9膜蛋白基因組篩選技術，發現人類新生兒Fc受體是病毒入侵細胞的一個關鍵受體。新生兒Fc受體是由FCGRT基因表達的α鏈和β2-微球蛋白共同組成的異源二聚體，是一個重要的免疫因子，其主要功能有從母體通過胎盤向胎兒轉運保護性抗體，幫助新生兒從腸道吸收母乳中的抗體，以及在成人體內介導抗體“回收”等。該研究發現，這種對胎兒和嬰幼兒起重要作用的免疫因子可以被B族腸道病毒“綁架”，作為其入侵宿主細胞的關鍵受體。

　　這項研究中，研究人員檢測了B族腸道病毒各進化分支中具代表性的17個毒株（分屬15個血清型），除Echo 6, Echo 30的兩個原型株外，均為我國近年來的流行株。檢測發現，除柯薩奇B4，B5之外，其余15個毒株均依賴于FcRn來完成其感染過程，其中包括致病性較強的柯薩奇病毒A9，埃可病毒6，9，11，30等。該研究揭示了FcRn是B族腸道病毒的一個通用受體。

　　研究還發現，與之前報道的埃可病毒表面吸附受體不同（如CD55等），FcRn是一個脫衣殼受體。當病毒顆粒與受體直接結合后，在生理條件下以及在受體和脂質膜的共同作用下，病毒完成了入侵細胞時必須的脫衣殼過程，最后將遺傳物質釋放到宿主細胞內。

　　為了進一步闡明病毒和受體的互作機制， 研究人員利用冷凍電鏡技術，解析了Echo 6病毒，及Echo 6病毒與其吸附受體CD55的復合物，脫衣殼受體FcRn的復合物，在不同pH條件下的原子/近原子水平高分辨率電鏡結構（共7個電鏡結構，2.9-3.8 ？）。

　　結果表明，Echo 6及Echo 6-CD55的復合物在中性和酸性pH條件下均穩定。FcRn結合在正二十面體病毒表面由VP1蛋白形成的“峽谷”（Canyon）樣結構部位。在酸性條件下，FcRn誘導病毒表面蛋白發生變構，使得峽谷內部維持病毒粒子穩定性的脂類分子（又稱“口袋因子”，pocket factor）釋放，從而起始脫衣殼和遺傳物質釋放過程。

　　這項研究首次在近原子水平的病毒-受體復合物結構中捕捉到pocket factor釋放的中間態；首次在分子水平清晰展示介導脂類分子轉運口袋附近關鍵氨基酸的構象變化；并首次以原子/近原子水平高分辨率電鏡結構，系統闡明了非囊膜病毒入侵過程中“雙受體系統”的作用機制。

　　另外，在同期Cell上，這一研究組也對兩篇發表在Cell，一篇發表在Cell Host & Microbe雜志的文章進行了評述。這三篇文章報道了隱藏在HA三聚體頭部區的新表位，HA分子通過病毒“呼吸”暴露出這類表位，從而使機體產生識別該表位的抗體。然而該類抗體并不具有中和活性，但卻對感染不同亞型甲型流感病毒的小鼠具有保護效果。

　　兩篇Cell文章分別通過抗體Fc段突變和替換不同IgG亞型的Fc段證明這類抗體是通過抗體依賴的細胞介導的細胞毒性（ADCC）和補體依賴的細胞毒性（CDC）起作用。除了已經存在的HA莖部區和位于頭部區受體識別位點以外，這類隱藏表位對于通用疫苗的研發具有重要意義。

　　已有研究表明在酸性和中性pH條件下，流感病毒表面的HA分子展現出一定程度的可逆的“呼吸”樣構象動態變化。類似的現象在登革病毒（DENV）、免疫缺陷性病毒（HIV）和中東呼吸綜合征病毒（MERS-CoV）中也被觀察到，而且已有研究報道了可識別在登革病毒“呼吸”過程中暴露出的E蛋白隱藏表位的中和抗體及其作用機制。

　　文章系統總結了這三篇文章報道的隱藏表位的異同，并強調不能忽略沒有中和活性的抗體，它們有可能是有保護效果的。文章還對今后通用疫苗的研究做了展望：除了莖部區，位于頭部區的隱藏表位不會造成病毒在免疫壓力下發生抗原漂變，因此也應該被考慮加入到通用疫苗的組分中。

　　一周前，高福院士研究組發文，首次揭示了致關節炎甲病毒CHIKV與MXRA8受體相互作用機制，證實了MXRA8是一種具有獨特的拓撲結構及結構域間組裝形式的新型Ig樣受體分子，并發現了此類致關節炎甲病毒和受體相互作用是一種新型的病毒-受體結合模式。這些研究結果為新型疫苗及廣譜中和抗體的研發提供了理論指導，為抗病毒藥物設計提供了新靶點。