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微生物所揭示人破骨细胞相关受体识别胶原蛋白

发布时间:2019-09-14 08:58编辑:生命科学浏览(143)

    科学家破解基孔肯雅病毒入侵机制

    在国家重点研发计划“畜禽重大疫病防控与高效安全养殖综合技术研发”专项支持下,中国科学院微生物所高福院士团队与中国科学院北京生科院及天津工业生物技术研究所合作,首次从分子水平阐释了基孔肯雅病毒(Chikungunya virus,CHIKV)囊膜表面E蛋白(CHIKV E)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。

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    中国科学院微生物研究所高福研究组最新研究揭示了人类破骨细胞相关受体识别胶原蛋白的分子机制,为治疗关节炎和骨质疏松等疾病提供了新思路。该项工作发表在2016年1月7日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,英国留学生Joel Haywood为该文章的第一作者。

    5月9日,中国科学院高福团队在《细胞》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。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的晶体结构,表明MXRA8分子胞外段由两个免疫球蛋白样结构域构成,但其两个Ig样结构域呈现独特的拓扑结构。结构域1由两个不连续的片段构成,而结构域2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。中科院北京生命科学研究院助理研究员宋豪及微生物所硕士生赵振楠、助理研究员柴彦为论文的并列第一作者,中科院院士高福和中科院天津工业生物技术研究所副研究员高峰为论文共同通讯作者。微生物所研究员齐建勋、施一、严景华及巴西FIOCRUZ基金会卫生技术发展中心主任Carlos Morel给予了大力支持。该研究得到科技部重点研发计划、中科院战略性先导科技专项项目、国家科技重大专项、国家自然科学基金以及中科院青促会、中国科协“青年人才托举工程”等的经费支持。文章链接: )

    基孔肯雅热是一种由基孔肯雅病毒引起,经蚊虫叮咬传播的急性发热性传染病,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。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。近来研究报道表明,基质重塑相关蛋白8(Matrix remodeling-associated protein 8,MXRA8)分子是基孔肯雅病毒等多种致关节炎甲病毒的受体,广泛分布于形成软骨、肌肉和骨骼的细胞表面,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。但是,MXRA8分子如何介导病毒入侵却是未解之谜。

    致关节炎甲病毒(arthritogenic alphavirus),比如基孔肯雅病毒(Chikungunya virus, CHIKV),在全世界引起严重的让人虚弱的风湿性疾病,从而导致严重的发病率和经济成本。

    OSCAR是一种激活型的免疫球蛋白样胶原蛋白受体,可表达于破骨细胞、血管内皮细胞、单核细胞、中性粒细胞、巨噬细胞及单核细胞来源的树突细胞上。目前认为OSCAR是破骨细胞形成过程中的关键分子之一,能促进破骨细胞存活。关节炎和骨质疏松等病症的出现,正是由于体内成骨细胞和破骨细胞的平衡遭到了破坏,破骨细胞大量增殖引起的。此外,研究证实OSCAR还在免疫系统中起重要作用,它能促进免疫细胞的激活和成熟,阻止细胞凋亡,增强促炎因子循环,从而调节先天和后天免疫。

    高福院士领导的团队通过解析小鼠MXRA8、人MXRA8与CHIKV E的晶体结构以及人MXRA8与基孔肯雅病毒样颗粒的复合物冷冻电镜结构,系统研究了MXRA8分子介导基孔肯雅病毒的入侵机制,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,是该领域的标志性成果。这些研究结果为该类病毒跨种感染与传播机制深入研究提供了科学思路与基础,为新型疫苗与广谱中和抗体的研发及抗病毒药物设计提供了理论指导与新靶点。

    图片 1

    高福研究组解析了游离形式的人OSCAR分子及其与胶原肽的复合物晶体结构。研究发现,OSCAR分子具有两个免疫球蛋白样结构域,而胶原肽只结合其中一个免疫球蛋白样结构域——膜近侧结构域。进一步的结构分析表明:这两个免疫球蛋白结构域的空间排布方式比较独特,两个结构域之间是钝域间角,膜远侧结构域偏转远离了膜近侧结构域,从而暴露出位于膜近侧结构域上的胶原肽结合位点,利于胶原肽结合。此外,这种结合主要由OSCAR分子上的芳香族氨基酸酪氨酸介导,而以三聚体形式存在的胶原肽中的两条多肽链参与了结合。

    图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.04.008。

    研究人员进一步设计了不同长度的胶原肽来探索这些胶原肽能否作为抑制剂来抑制破骨细胞的形成。他们首先建立了人单核细胞体外诱导分化破骨细胞的实验平台,用来评价胶原肽的抑制效果。研究发现,只有一定长度(不少于40个氨基酸)的胶原肽才能抑制人单核细胞向破骨细胞分化。同时热稳定性分析表明,40个氨基酸长度以上的胶原肽能在人体温度保持稳定的三聚体构象存在,从而保证其与OSCAR分子的结合。

    曾经一度局限于东半球的基孔肯雅病毒自从2013年在加勒比地区发现携带这种病毒的蚊子以来,已感染了美洲100多万人。大多数感染者会出现发烧和关节疼痛,这些症状持续一周左右。但在多达一半的患者中,这种病毒可导致严重的持续数月或数年的关节炎。没有治疗方法可阻止短期的基孔肯雅病毒感染进展到慢性关节炎。

    上述研究为设计人破骨细胞抑制剂提供了重要的理论基础,将来有望应用于设计胶原肽以治疗关节炎和骨质疏松等疾病。

    2018年,一个研究团队已鉴定出在关节中的细胞外表面上发现的蛋白Mxra8,是基孔肯雅病毒及其相关病毒入侵小鼠、人类和其他物种中细胞的分子把柄,即细胞表面蛋白Mxra8是基孔肯雅病毒及其相关病毒入侵宿主细胞的进入受体。

    论文链接

    Mxra8的人类版本和小鼠版本存在79%的同源性,而且基孔肯雅病毒以相同的方式与这两个版本相互作用。病毒需要与这种蛋白结合才能引起疾病;在小鼠中,利用阻断抗体或诱饵受体阻止基孔肯雅病毒试图结合这种蛋白可减少关节炎的迹象。

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    在一项新的研究中,中国科学院北京生科院、微生物研究所高福(George F. Gao)课题组和中国科学院天津工业生物技术研究所、遗传与发育生物学研究所Feng Gao课题组解析出小鼠MXRA8、人MXRA8与基孔肯雅病毒E蛋白结合在一起时的晶体结构,以及人MXRA8和基孔肯雅病毒样颗粒的低温电镜结构。相关研究结果近期在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Molecular Basis of Arthritogenic Alphavirus Receptor MXRA8 Binding to Chikungunya Virus Envelope Protein”。

    图1 人OSCAR分子与胶原肽的复合物结构

    这些研究人员发现蛋白受体MXRA8拥有两个具有独特拓扑结构的Ig样结构域。这种受体结合到基孔肯雅病毒颗粒表面三聚体刺突蛋白的两个E蛋白单体之间的“峡谷”中。在基孔肯雅病毒E蛋白和MXRA8之间的结合界面的原子细节揭示出MXRA8的这两个Ig样结构域和连接这两个结构域的铰链区参与与来自基孔肯雅病毒的E1-E2蛋白氨基酸残基之间的相互作用。此外,MXRA8的茎部区(stalk region)对基孔肯雅病毒入侵宿主细胞至关重要。

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    这些发现为开发针对这些致关节炎甲病毒的治疗对策提供了重要信息。它们有助于筛选实验药物,评估实验性疫苗产生的抗体是否有可能预防感染,并分析病毒中的突变是否会影响它们的毒力。

    图2 不同长度胶原肽对人破骨细胞的抑制效果

    原始出处:Hao Song et al. Molecular Basis of Arthritogenic Alphavirus Receptor MXRA8 Binding to Chikungunya Virus Envelope Protein. Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.04.008.

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