高福院士團隊破解基孔肯雅病毒入侵機制

　　2019年5月9日，中國科學院高福團隊在Cell雜志上發表了題為Molecular Basis of Arthritogenic Alphavirus Receptor MXRA8 Binding to Chikungunya Virus Envelope Protein的文章，首次從分子水平闡釋了基孔肯雅病毒囊膜表面E蛋白與其細胞受體MXRA8分子的相互作用機制，揭示了此類病毒入侵細胞的分子機制，為抗病毒藥物開發及新型疫苗設計提供了新靶點。

　　基孔肯雅熱（Chikungunya fever, CHIKF）是一種由基孔肯雅病毒（Chikungunya virus，CHIKV）引起，經蚊蟲叮咬傳播的急性發熱性傳染病。該病毒病過去主要分布在非洲、南亞、東南亞熱帶和亞熱帶地區。近年來，隨著全球變暖和現代交通工具等因素，該病毒疫情呈不斷暴發和蔓延的趨勢。2005年以來疫情在東南亞和南亞地區再度暴發，2007年疫情傳播至歐洲，2013年疫情開始在加勒比海地區、美國以及南美洲等地暴發流行，造成了數百萬人感染。人感染該病毒后可致急性或慢性的外周關節痛或關節炎，嚴重時致人死亡，目前尚無特異性的治療方法和疫苗，使得該病毒引起人們的廣泛關注，也是重要的全球性公共衛生問題之一。與該病毒親緣關系較近，同樣能引起關節炎的甲病毒還包括馬亞羅病毒（Mayaro virus）、羅斯河病毒（Ross River virus）、阿尼昂尼昂病毒（O' nyong -nyong virus）等。

　　病毒侵入細胞的第一步依賴于病毒囊膜蛋白與宿主受體的相互作用。過去的研究認為，CHIKV等多種致關節炎甲病毒囊膜表面含有80個三聚體形式的刺突E蛋白，每個三聚體由三個E1/E2二聚體組成，其中E1蛋白參與膜融合，E2蛋白參與受體的結合。近來研究報道表明，基質重塑相關蛋白8（Matrix remodeling-associated protein 8，MXRA8）分子是CHIKV等多種致關節炎甲病毒的受體。MXRA8是一種在上皮細胞、髓細胞及間充質干細胞表達的黏附分子，廣泛分布于形成軟骨、肌肉和骨骼的細胞表面。但是，MXRA8分子如何介導病毒入侵卻是未解之謎。

　　高福研究團隊深入研究了MXRA8分子介導CHIKV的入侵機制。首先，他們利用結構生物學的技術和方法解析了小鼠MXRA8（mMXRA8）的晶體結構，表明MXRA8分子胞外段由兩個免疫球蛋白（Ig）樣結構域構成，但其兩個Ig樣結構域呈現獨特的拓撲結構。結構域1（D1）由兩個不連續的片段構成，而結構域2（D2）插在了D1的兩個片段之間，這導致D1和D2之間有兩個柔性鉸鏈（Hinge loop）連接，這與以往所有報道的含有兩個Ig樣結構域的蛋白都不同。因此，他們首次提出MXRA8是一種新型的Ig樣受體分子，并具有獨特的拓撲結構及結構域間組裝形式。

圖1. 小鼠MXRA8的三維結構

　　為進一步闡明CHIKV E與受體MXRA8相互作用機制，研究團隊解析了人MXRA8（hMXRA8）與CHIKV E復合物的晶體結構，他們發現MXRA8與CHIKV E采用一種獨特的3:3的結合模式，MXRA8結合到病毒表面三聚體刺突蛋白兩個E蛋白單體間的"峽谷"中，形成非常緊密的結合模式。其中E1和E2均參與結合，MXRA8的兩個結構域及鉸鏈區均與E1和E2蛋白發生相互作用。隨后他們利用冷凍電鏡技術解析了人MXRA8與CHIKV病毒樣顆粒的復合物結構，證明了MXRA8在病毒表面的結合模式跟晶體結構所觀察到的結合模式一致，并通過點突變及表面等離子共振（SPR）方法對結合關鍵氨基酸進行了驗證。該研究首次“看清”了基孔肯雅病毒和受體相互作用的分子模式，為一種新型的病毒-受體結合模式，同時糾正了過去對基孔肯雅病毒和受體相互作用的一些錯誤認識。

圖2. CHIKV E與人MXRA8復合物結構

　　MXRA8因其獨特的拓撲結構排布而與其他I型跨膜蛋白不同，其N端D1結構域不是遠膜端結構域，而實為近膜端結構域。在復合物結構中，MXRA8的D1結構域深深地插入到CHIKV三聚體刺突E蛋白的“峽谷”中，這就需要近膜端的頸部區有足夠的長度和柔性。

圖3 MXRA8莖部區對CHIKV入侵很關鍵

　　通過一系列MXRA8莖部區截短體和病毒及細胞水平功能實驗發現，MXRA8中長達48個氨基酸的莖部區為病毒入侵所必需，其足夠長且具有柔性，被病毒利用作為受體入侵細胞。

　　此項研究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。

圖4. CHIKV利用MXRA8入侵細胞的分子機制模型

　　本研究得到了科技部重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項項目、國家科技重大專項、國家自然科學基金、以及中科院青促會、中國科協“青年人才托舉工程”等的經費支持。