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章新政课题组和清华大学向烨课题组合作揭示委内瑞拉马脑炎病毒结合受体的分子机制

发布时间:2021年10月14日

  2021年10月13日,《Nature》杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所章新政课题组和清华大学医学院向烨课题组合作完成的研究论文"Structure of Venezuelan equine encephalitis virus with its receptor LDLRAD3"。该工作解析了委内瑞拉马脑炎病毒(Venezuelan equine encephalitis virus,VEEV)病毒样颗粒及其与人源受体分子LDLRAD3复合物的高分辨冷冻电镜结构,揭示了甲病毒家族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。

  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,可以通过蚊子传播以及可经气溶胶高效传播,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。

  近期,LDLRAD3(含A类结构域的低密度脂蛋白受体3)被鉴定为VEEV的细胞受体[1],然而VEEV病毒与受体结合的分子机制尚不清楚。章新政课题组和向烨课题组就此开展紧密合作,运用课题组前期开发的分块重构算法,成功解析了VEEV病毒样颗粒(VLP)及其与受体复合物的高分辨冷冻电镜结构,这也是首个同时解析了外层糖蛋白和内层衣壳蛋白的高分辨率结构的甲病毒。病毒-受体复合物结构展示了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/E2三聚体形成的裂缝之间,在病毒表面形成受体和E1/E2异源二聚体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。此外,该结构首次揭示了甲病毒家族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(CHIKV)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。

  该工作得益于课题组早期开发的冷冻电镜重构技术--分块重构算法[2],是继2018年运用分块重构算法解析第一个准原子分辨率甲病毒(辛德毕斯病毒SINV)结构之后的进一步延伸[3]。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。

图1. VEEV VLP与受体复合物的高分辨率结构及相互作用

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03909-1

  相关文献:

  1. Hongming Ma, Arthur S Kim, Natasha M Kafai, James T Earnest, Aadit P Shah, James Brett Case, Katherine Basore, Theron C Gilliland, Chengqun Sun, Christopher A Nelson, Larissa B Thackray, William B Klimstra, Daved H Fremont, Michael S Diamond. LDLRAD3 is a receptor for Venezuelan equine encephalitis virus. Nature, 2020, 588(7837):308-314.

  2. Dongjie Zhu, Xiangxi Wang, Qianglin Fang, James L Van Etten, Michael G Rossmann, Zihe Rao, Xinzheng Zhang. Pushing the resolution limit by correcting the Ewald sphere effect in single-particle Cryo-EM reconstructions. Nat Commun, 2018, 9(1):1552.

  3. Lihong Chen, Ming Wang, Dongjie Zhu, Zhenzhao Sun, Jun Ma, Jinglin Wang, Lingfei Kong, Shida Wang, Zaisi Liu, Lili Wei, Yuwen He, Jingfei Wang, Xinzheng Zhang. Implication for alphavirus host-cell entry and assembly indicated by a 3.5? resolution cryo-EM structure. Nat Commun, 2018, 9(1):5326.

 

(供稿:章新政研究组)

 

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