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管理系统开发 Nature | 王开拓等剖析丙肝病毒HCV名义糖卵白E1/E2高阶复合物结构
发布日期：2024-10-04 13:07 点击次数：70
慢性丙型肝炎（Chronic Hepatitis C）是由丙肝病毒（Hepatitis C Virus, HCV）引起的一种肝脏炎症。环球约有5000万慢性丙肝病毒感染者，每年约新增100万感染病例。据全国卫生组织揣度，2022年约有242,000东说念主死于由丙型肝炎激勉的肝硬化和肝癌等并发症。尽管当今已有针对丙肝的殊效药物，如索磷布韦、达拉他韦等，但药物价钱奋斗，且调整患者仍有再次感染病毒的风险。因此，鼓舞驻守性HCV疫苗的发展具有紧要的施行酷好。
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HCV是一种包膜的单链正链RNA病毒，属于黄病毒科丙型肝炎病毒属。其全长RNA约有9500个碱基对，编码一个卓著3000个氨基酸的多聚卵白前体。该前体在宿主细胞和病毒自己卵白酶的作用下，裂解成多种落寞的病毒卵白。其中，名义糖卵白E1和E2位于病毒包膜上，是高度糖基化的卵白，亦然病毒颗粒名义独一的卵白质组分。E1和E2以异源二聚体的口头存在于病毒颗粒包膜名义，对病毒侵入细胞至关进军，是现存丙肝病毒中庸抗体的主要靶点，亦然潜在疫苗开发的主要探讨，因此其结构盘考受到了平凡珍惜。关连词，E1/E2复合物高度糖基化且结构极不褂讪，使得结构剖析极具挑战性。
此前，最完好的E1/E2结构盘考是在2022年10月发表在Science杂志上的E1/E2与三种单克隆抗体变成的复合物【1】。该盘考揭示了E1/E2的异二聚化界面、卵白名义糖基化修饰以及抗体结合表位等环节结构信息，但复合物的跨膜结构域由于过于动态而未能剖析。此外，HCV病毒颗粒名义的E1/E2卵白被合计会变成更高阶的复合物拼装口头。尽管其他包膜病毒如HIV、新冠病毒、流感病毒的名义刺突卵白常变成三聚体结构，但HCV的E1/E2是否变成高阶聚体一直未得到结构信息的考证【2】。
2024年9月4日，哥本哈根大学免疫学和微生物学系（ISIM）的Jannick Prentø和哥本哈根大学生物医学科学学院的Pontus Gourdon和中国科学院植物盘考所王开拓合营在Nature杂志上发表了The hepatitis C virus envelope protein complex is a homodimer of heterodimers。这项使命剖析了首个丙肝病毒HCV名义糖卵白E1/E2的高阶复合物冷冻电镜结构。盘考为止标明，体外纯化的HCV E1/E2变成了二聚体拼装口头，而非其他包膜病毒常见的三聚体结构。这一发现颠覆了先前的表露，对蓄意有用的HCV疫苗具有进军的引诱酷好。
时刻上，由病毒学家和结构生物学家构成的聚首盘考团队在多年的合营盘考中进行了多项时刻鼎新，最终赢得了这一为止。E1和E2卵白的N结尾和C结尾对卵白结构和功能至关进军，因此无法使用传统标签要津进行纯化。在先前的Science著作盘考中，盘考者继承带有Strep标签的单克隆抗体与卵白复合物共抒发，联系我们以抗原-抗体复合物的口头纯化通盘这个词卵白复合物。而在本盘考中，盘考者将Strep标签蓄意在E2卵白中间的一个柔性loop区，并进行了功能考证，使得单独纯化卵白复合物成为可能。此外，由于卵白复合物抒发量极低且在体外体系中极不褂讪，盘考者克服了卵白纯化和冷冻制样经过中的多项时刻盘曲。在每次大范畴纯化中仅能得到小于10微克样品的情况下，盘考者得手对卵白进行了结构剖析。
针对卵白样品的柔性，盘考者们继承了多种新的冷冻电镜结构剖析时刻、密度加强及模子搭建算法。终点是在Alphafold【3】结构揣度和基于深度学习的三维密度图后贬责算法EMReady【4】的匡助下，盘考者构建了果然通盘氨基酸序列的结构模子，笼罩了E1序列的96%和E2序列的90%。比拟之下，Science著作中的结构模子仅包括51%的E1和82%的E2序列。
著作中最进军的发现是E1/E2异聚体能进一步拼装成更高阶的二聚体复合物。这种二聚化是由E2卵白介导的，互相作用面积约为1200平时埃，主要基于位于卵白名义的多个氨基酸间的疏水或氢键互相作用，而卵白名义的糖基基本不参与二聚化。二聚化使得此区域被包裹在复合体里面，而其他线路区域名义广泛皆是高度糖基化的，这可能解释了HCV E1/E2糖卵白复合物的低免疫原性。作家在此基础上开展了一系列的卵白突变体生化和免疫实验，讲解了二聚体界面中的氨基酸序列终点保守，对其突变会影响二聚体的褂讪性。此外，先前的盘考为止也夸耀，位于二聚化界面上至少一半的氨基酸残基在通盘亚型HCV中皆统统保守，且其突变会影响HCV假病毒颗粒（HCV pseudoparticle，大约HCVpp）对细胞的侵染活性【5】。
app图二：HCV E1/E2卵白复合物的冷冻电镜结构(Credit: Nature)
这次剖析的结构还揭示了多种此前盘考中未被不雅察到的结构细节。当先，复合物的跨膜螺旋区结构初次得到剖析，复合物结构中的跨膜卵白束成列较松散，对等辞别率约5埃，但结合Alphafold结构揣度，盘考者仍能搭建来自两个卵白的总计6个跨膜螺旋模子。其中，M1-M2来自E1卵白的PCR （putative fusion peptide containing region）区域，M1和M2螺旋中间的勾通区域（272-281位氨基酸）终点保守，被合计是介导病毒颗粒与侵染细胞和会的肽段（putative fusion peptide，简称pFP）；M3-M4来自E1卵白的C端，M3前边还发现了一个可能平行于膜处所平面的螺旋，定名为MX螺旋；M5-M6位于E2卵白的C端。
图三：HCV E1/E2复合物中跨膜结构域的位置和结构(Credit: Nature)
其次，结构中初次剖析了E2卵白N结尾的区域，包括序列最各种化的hypervariable region 1 (HVR1)以及序列保守但结构终点不褂讪的antigenic site 412 (AS412)。这些区域被合计对HCV的免疫逃跑至关进军，但其具体作用机制和结构尚不统统了了。结构分析发现，HVR1区域不错荫藏多种HCV中庸抗体的识别表位以及受体CD81的结合表位，而体外实验也讲解，样品与多种中庸抗体和受体CD81的结合智商在4摄氏度时较低，在温度升高时会升高，这默示了此部分结构在病毒侵染和被免疫系统识别时需要进行一定进度的重排。
图四：E2卵白N结尾HCV1和AS412区域的结构偏激对卵白结合智商的影响(Credit: Nature)
参考文件
1. Torrents de la Peña A, Sliepen K, Eshun-Wilson L, et al. Structure of the hepatitis C virus E1E2 glycoprotein complex. Science. 2022;378(6617):263-269.
2. Freedman H, Logan MR, Hockman D, Koehler Leman J, Law JLM, Houghton M. Computational Prediction of the Heterodimeric and Higher-Order Structure of gpE1/gpE2 Envelope Glycoproteins Encoded by Hepatitis C Virus. J Virol. 2017;91(8):e02309-16.
3. Jumper J, Evans R, Pritzel A, et al. Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Nature. 2021;596(7873):583-589.
4. He J, Li T, Huang SY. Improvement of cryo-EM maps by simultaneous local and non-local deep learning. Nat Commun. 2023;14(1):3217.
5. Pfaff-Kilgore JM, Davidson E, Kadash-Edmondson K, et al. Sites of vulnerability in HCV E1E2 identified by comprehensive functional screening. Cell Rep. 2022;39(8):110859.
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07783-5
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