西方馬腦炎病毒（Western equine encephalitis virus, WEEV）是一種由蚊媒傳播的甲病毒，其自然宿主為雀形目鳥類，可感染人類和馬匹并引發(fā)致命性腦炎，感染人類時(shí)致死率高達(dá)5%-15%。在沉寂數(shù)十年后，2023-2024年WEEV在南美地區(qū)突然暴發(fā)，為全球公共安全衛(wèi)生再次敲響了警鐘。

前期研究發(fā)現(xiàn)WEEV不同毒株對(duì)宿主細(xì)胞受體的偏好性存在顯著差異。原鈣黏蛋白10（protocadherin 10，PCDH10）和極低密度脂蛋白受體（very low-density lipoprotein receptor，VLDLR）均可作為WEEV的功能性受體。其中，PCDH10能夠介導(dǎo)絕大多數(shù)毒株對(duì)人類等宿主細(xì)胞的感染入侵，而VLDLR僅被幾種古老但高致病性毒株（如McMillan、Califorina和Fleming毒株）利用。這種受體選擇性的差異提示W(wǎng)EEV在進(jìn)化過(guò)程中可能通過(guò)受體轉(zhuǎn)換識(shí)別來(lái)適應(yīng)對(duì)不同宿主的感染入侵，然而具體的作用機(jī)制尚不清楚。

2025年5月20日，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所章新政課題組與清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院向燁課題組合作在Cell Reports雜志在線發(fā)表了題為“Structural basis for the recognition of two different types of receptors by Western equine encephalitis virus”的研究論文。該研究系統(tǒng)性的解析了WEEV不同毒株分別與受體PCDH10和VLDLR的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這兩種受體在WEEV病毒表面形成了完全不同的結(jié)合界面和識(shí)別模式，闡明了病毒發(fā)生受體轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和分子機(jī)制，并為甲病毒防控提供了重要的理論依據(jù)。

文章題圖

圖1. WEEV不同毒株對(duì)不同受體的選擇性識(shí)別

該研究發(fā)現(xiàn)，PCDH10的EC1結(jié)構(gòu)域深入結(jié)合在糖蛋白三聚體中相鄰E2-E1異源二聚體形成的狹縫內(nèi)，并與E2、E1以及相鄰的E2’糖蛋白之間均形成多界面相互作用。然而，少數(shù)毒株，如Imperial 181毒株，不具備對(duì)人源PCDH10的結(jié)合能力，而僅能識(shí)別鳥源PCDH10。通過(guò)進(jìn)一步的分析與驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)Imperial 181毒株E2糖蛋白存在L149Q突變，導(dǎo)致受體結(jié)合界面中的一個(gè)關(guān)鍵疏水相互作用區(qū)域被破壞，從而抑制了該毒株與人源PCDH10之間的結(jié)合；而相較于人源PCDH10，鳥源PCDH10存在Q107R突變，該突變可通過(guò)增強(qiáng)與病毒之間的氫鍵相互作用，彌補(bǔ)病毒E2糖蛋白L149Q突變?cè)斐傻挠绊懀瑥亩S持病毒與鳥類受體之間的穩(wěn)定互作。因此，WEEV不同毒株對(duì)不同物種PCDH10受體的選擇性識(shí)別，是由病毒糖蛋白及受體中關(guān)鍵氨基酸序列的變化共同決定的。

圖2. 病毒E1/E2結(jié)構(gòu)域和PCDH10 EC1結(jié)構(gòu)域相互作用分析

新型受體VLDLR是包括WEEV在內(nèi)的多種腦炎甲病毒跨物種傳播的通用受體。本項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)VLDLR可通過(guò)兩個(gè)連續(xù)的LAs重復(fù)序列與WEEV McMillian毒株結(jié)合，其中LA1-2至LA5-6均具備病毒結(jié)合能力。通過(guò)結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，位于N端的LA結(jié)構(gòu)域結(jié)合在相鄰E2-E1異源二聚體形成的狹縫處（位點(diǎn)1），而位于C端的LA結(jié)構(gòu)域結(jié)合在同一組E2-E1異源二聚體中E2糖蛋白的B結(jié)構(gòu)域上（位點(diǎn)2）。WEEV主要通過(guò)病毒表面凸起的堿性賴氨酸殘基側(cè)鏈與LA結(jié)構(gòu)域中保守性的酸性鈣離子結(jié)合位點(diǎn)相互作用。然而，位點(diǎn)2中的關(guān)鍵賴氨酸殘基K181僅在McMillian和California毒株中保守存在，這可能是其他毒株喪失識(shí)別VLDLR能力的原因。而對(duì)于Fleming毒株而言，雖然它不具備K181結(jié)合位點(diǎn)，但是我們發(fā)現(xiàn)它的E2糖蛋白存在V265F突變，能夠通過(guò)增加新的疏水相互作用界面來(lái)使Fleming毒株獲得與VLDLR的結(jié)合能力。

圖3. 病毒E1/E2結(jié)構(gòu)域和VLDLR LA1-2/LA2-3結(jié)構(gòu)域相互作用分析

(C,D和G,H圖標(biāo)注了位點(diǎn)1和2的具體相互作用殘基)

另外，VLDLR在WEEV上的結(jié)合位置與團(tuán)隊(duì)之前發(fā)現(xiàn)報(bào)道的其在另外兩種甲病毒SFV和EEEV病毒表面的結(jié)合位置完全不同。上述研究表明，VLDLR的多LAs串聯(lián)結(jié)合模式依賴于病毒表面特定的堿性氨基酸殘基，這些關(guān)鍵的堿性氨基酸殘基可能會(huì)在病毒進(jìn)化過(guò)程中喪失或獲得，因此解釋了不同毒株對(duì)VLDLR利用能力的差異，并提示依賴于VLDLR-like受體的病毒入侵在進(jìn)化過(guò)程中存在較大的可變性，為相關(guān)抗病毒手段的研發(fā)提供了重要線索。

圖4. 不同的甲病毒結(jié)合受體VLDLR的模式

綜上所述，這項(xiàng)研究通過(guò)解析WEEV不同毒株與兩種不同類型受體的高分辨率結(jié)構(gòu)， 闡明了WEEV在不同受體間轉(zhuǎn)換識(shí)別的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和特異性決定因素，對(duì)理解甲病毒的宿主適應(yīng)性、跨物種傳播機(jī)制及相關(guān)抗病毒手段的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所曹端方研究員、清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院向燁教授和中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所章新政研究員為本論文的共同通訊作者。向燁課題組博士后馬丙婷、章新政課題組博士研究生曹紫怡和向燁課題組2023級(jí)博士研究生丁維佳為本論文的共同第一作者。這項(xiàng)工作獲得了北京市科技新星計(jì)劃、中國(guó)科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所生物大分子全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題等項(xiàng)目的資金支持。

研究歷程：

由于有囊膜，甲病毒表面的糖蛋白層具有一定的柔性，且整個(gè)病毒粒子容易變形，這些特性阻礙研究人員獲得完整病毒甲顆粒的高分辨率結(jié)構(gòu)。章新政研究員團(tuán)隊(duì)于2018年開發(fā)了分塊重構(gòu)算法（Block-based algorithm），該方法突破了冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)法在埃瓦爾德球效應(yīng)下的重構(gòu)分辨率極限，從而使得尺寸較大病毒的高分辨率結(jié)構(gòu)解析成為可能，同時(shí)該方法也能很好用于具有一定柔性病毒的高分辨結(jié)構(gòu)解析（ Nature Communications ， 2018 ）。利用該方法，章新政團(tuán)隊(duì)成功將甲病毒辛德畢斯病毒的結(jié)構(gòu)分辨率推到3.5埃，獲得了甲病毒家族的第一個(gè)準(zhǔn)原子分辨率結(jié)構(gòu)（ Nature Communications ， 2018 ）。

自2019年起，向燁教授團(tuán)隊(duì)與章新政研究員團(tuán)隊(duì)建立起深度合作。向燁團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了甲病毒病毒樣組裝系統(tǒng)，并基于生物膜干涉方法（BLI），優(yōu)化建立了一套適用于包膜病毒顆粒等具有柔性大分子的親和力測(cè)定方法，可快速準(zhǔn)確地進(jìn)行生化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法在甲病毒領(lǐng)域內(nèi)得到了普遍使用。通過(guò)整合雙方優(yōu)勢(shì)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性揭示了甲病毒與宿主受體相互作用的分子機(jī)制，在甲病毒研究領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。

在2020年，來(lái)自低密度脂蛋白受體家族的蛋白成員LDLRAD3被確認(rèn)為委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒（Venezuelan equine encephalitis virus，VEEV）的受體，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)迅速完成VEEV與受體分子LDLRAD3復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu) 解析。該項(xiàng)發(fā)表于《自然》雜志（ Nature ， 2021 ）的研究不僅闡明了LDLRAD3特異性結(jié)合VEEV的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，更通過(guò)3.0 ?的VEEV高分辨結(jié)構(gòu)揭示了病毒E蛋白與衣殼蛋白的詳細(xì)相互作用界面，矯正了之前基于低分辯結(jié)構(gòu)的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。隨著極低密度脂蛋白受體（VLDLR）被鑒定為塞姆利基森林病毒（Semliki Forest virus, SFV）、東部馬腦炎病毒（Eastern equine encephalitis virus, EEEV）等甲病毒的跨物種通用受體，研究團(tuán)隊(duì)于2022年初啟動(dòng)系統(tǒng)研究。通過(guò)解析SFV與VLDLR多種截短體復(fù)合物高分辨結(jié)構(gòu)，首次發(fā)現(xiàn)甲病毒通過(guò)E1-DIII結(jié)構(gòu)域的新型受體結(jié)合模式，并揭示VLDLR通過(guò)多個(gè)結(jié)構(gòu)域協(xié)同弱相互作用實(shí)現(xiàn)病毒跨物種傳播的分子機(jī)制，相關(guān)成果發(fā)表于《細(xì)胞》雜志（ Cell ， 2023 ）（）。之后，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步針對(duì)EEEV識(shí)別VLDLR的分子機(jī)制開展研究，在《自然 通訊》雜志（ Nature Communications ， 2024 ）發(fā)表的研究中，通過(guò)解析EEEV病毒樣顆粒與人源VLDLR胞外區(qū)LAs重復(fù)序列全長(zhǎng)及截短體的多種高分辨率復(fù)合物結(jié)構(gòu)復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)EEEV表面存在三個(gè)不同受體結(jié)合位點(diǎn)。相較于SFV，VLDLR在EEEV表面的結(jié)合展現(xiàn)出更復(fù)雜的結(jié)合模式（）。加之今年最新發(fā)表的關(guān)于WEEV在不同受體間轉(zhuǎn)換識(shí)別的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和特異性決定因素的研究成果，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)持續(xù)八年的深入研究，系統(tǒng)地闡述了甲病毒家族成員與受體互作的復(fù)雜多變的結(jié)合機(jī)制，為全面開發(fā)甲病毒防治藥物提供了很好的理論基礎(chǔ)，為新發(fā)突發(fā)病毒性傳染病的防控提供了重要參考。

文章鏈接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)00495-4