中科院微生物所發表寨卡病毒結構生物學綜述

導 語

寨卡病毒疫情近兩年全球發病數迅速上升，流行區域不斷擴大，由於其導致新生兒小頭症和神經系統癥狀，成為全球關注的公共衛生問題。2017年3月16日，中國科學院微生物研究所施一研究員與高福院士於Cell子刊Trends in Biochemical Sciences上在線發表了的題為「Structural Biology of the Zika Virus（寨卡病毒結構生物學）」綜述，系統地總結了2015年寨卡病毒暴發以來全球科學家在寨卡病毒結構生物學領域所取得的重要進展，並對該領域未來研究方向進行了展望。小編今天帶領大家一起學習這篇發表在生物化學研究領域頂級學術期刊的綜述。

研究背景

寨卡病毒最早於1947年首次在非洲分離，後來常在亞洲和非洲部分熱帶地區暴發和傳播，但是由於人感染後癥狀很輕，一直被科學界忽略。2013年在法國玻里尼西亞暴發後，病毒迅速蔓延到美洲，已波及南美、加勒比海地區25個國家和地區。直到2015年，寨卡病毒在南美大暴發，使其成為國際關注的公共衛生問題。目前，全球已有八十多個國家和地區出現了寨卡病毒感染病例，我國也在2016年出現了輸入性寨卡病毒感染病例。研究表明寨卡病毒與胎兒和新生兒的小頭畸形症及嚴重的神經系統併發症如格林巴利綜合症有關。目前臨床上還沒有可用的疫苗和特效治療藥物來預防和控制寨卡病毒感染。結構生物學研究對於闡明病毒的感染機制、研發疫苗和中和抗體、揭示關鍵藥物靶點信息及其作用機制等方面具有非常重要的意義。

一、病原學特點

寨卡病毒屬於黃病毒科黃病毒屬，是一種人畜共患病毒，與乙型腦炎病毒、西尼羅病毒及登革熱病毒是近親。寨卡病毒的基因組為全長10.8kb的單股正鏈RNA，由單一的開放讀碼框編碼3個結構蛋白（C、prM/M和E），及7個非結構蛋白（NS1、NS2A、NS2B、NS3、NS4A、NS4B和NS5）（圖1）。根據NS5基因的核酸序列差異，寨卡病毒可分為亞洲型、東非型和西非型，目前不斷擴張傳播的是亞洲型病毒，興起於南美洲和太平洋。

圖1 寨卡病毒基因組結構(A)與編碼蛋白(B)示意圖

二、寨卡病毒及其E蛋白和M蛋白

文章首先介紹了近兩年來科學家在寨卡病毒全病毒結構、E蛋白結構與M蛋白結構（圖2），以及與E蛋白結合的不同作用機制的保護性中和抗體（圖3）的複合物結構研究方面取得的進展，為寨卡病毒的病毒學研究及疫苗和抗體開發奠定了基礎。

PS：寨卡病毒的E蛋白是參與受體結合、膜融合和宿主免疫識別的主要成分，主要負責病毒與感染宿主的受體的識別，介導病毒的入侵，因此是病毒最主要的保護性抗原。抗病毒中和抗體一般通過靶向E蛋白從而阻止病毒的入侵，進而幫助宿主清除病毒。M蛋白隱藏在E蛋白層下。異二聚體E-M蛋白質顯示二十面體對稱性，包含60個重複單元。每個不對稱單元包含三個E-M二聚體的一半，其彼此平行排列以形成筏，其可以通過雙摺軸被分成兩個對稱的兩半，與其他黃病毒相似，寨卡病毒的E蛋白包含四個結構域。

圖2 寨卡病毒電鏡結構(A)及E蛋白(B-C)和M蛋白(D)結構圖

圖3 與寨卡病毒E蛋白相結合的中和抗體及結構

三、寨卡病毒非結構蛋白NS1蛋白

之後，文章介紹了非結構蛋白NS1結構研究的進展，發現NS1蛋白具有特殊的表面電荷性質及新的膜結合區（圖4），為NS1的致病機制研究提供了新的思路。

PS：NS1在病毒感染、複製、病理及免疫逃逸過程中起著重要作用。NS1存在結構不同的兩個面，內表面和外表面，分別面對病毒的複製系統和宿主的免疫系統，以此實現蛋白的兩個主要功能。NS1在細胞內形成同源二聚體，與胞內膜系統的脂類結合，參與病毒複製，同時NS1還可形成由3個二聚體組成的同源六聚體，以可溶性形式分泌於胞外，通過與宿主免疫系統及其它宿主因子的相互作用幫助病毒免疫逃逸及加強致病性，同時NS1可誘導機體產生抗體，是病毒感染的主要抗原，也是病毒早期診斷的重要標誌物。

圖4 寨卡病毒非結構蛋白NS1電鏡結構

四、蛋白酶複合物NS2B-NS3和NS5

再者，文章總結了在重要病毒酶類蛋白NS2B-NS3（圖5）和NS5（圖6）結構研究中所取得的進展，揭示保守的藥物靶點信息，為藥物設計提供了結構基礎。

PS:寨卡病毒的NS2B-NS3pro蛋白酶複合物在病毒的整個生活周期中起關鍵調節作用，只有該蛋白酶複合物被激活，並完成一系列水解反應後，病毒才能啟動複製過程。因此,寨卡病毒的NS2B-NS3pro蛋白酶複合物也成為一個關鍵抗病毒藥物靶標。

寨卡病毒的複製中心是由7個非結構蛋白及其相關宿主因子組成，其中NS5是複製中心中分子量最大的蛋白。NS5由兩個結構域組成：甲基轉移酶（MTase）和RNA依賴的RNA聚合酶（RdRp），分別具有兩個關鍵的酶活性：甲基轉移酶活性和聚合酶活性，對於病毒複製至關重要，因此是開發抗病毒藥物非常理想的靶點。

圖5 寨卡病毒蛋白酶NS2B和NS3解旋酶結構

圖6 寨卡病毒NS5蛋白的MTase和RdRp結構

前景與展望

最後，該綜述對目前結構生物學研究的局限性進行了分析，如依然還有5個寨卡病毒蛋白結構未曾被解析，病毒複製中心的組裝和複製機制也不清楚，還有對宿主因子參與調節病毒感染過程的結構基礎也缺乏了解等。同時，對該領域未來的研究提出了方向，如寨卡病毒穿過人體血胎屏障等的分子機制、靶向NS1抗體的治療效果及機制研究、靶向NS3和NS5等的小分子抑制劑的治療效果評價等等。

小 結

寨卡疫情暴發以來，我國科學家在寨卡病毒致病機制、預防及治療領域取得了一系列重大成果，相關研究走在了國際前列。該綜述文章是微生物所在寨卡病毒研究領域的又一項重要成果。高福院士長期致力於突發傳染性疾病的研究，面對寨卡病毒快速傳播的嚴峻形勢，迅速組織研究團隊，聯合微生物所施一研究員、嚴景華研究員，中國農業大學李向東研究員等對寨卡病毒進行深入研究，取得一系列重要成果。

相關成果鏈接如下：

病毒蛋白結構方面

（1）解析寨卡病毒首個蛋白晶體結構——非結構蛋白NS1的C端結構（Nat Struct Mol Biol, 2016, 23(5): 456-458），隨後解析其全長結構（EMBO J, 2016, 35(20): 2170-2178），發現NS1蛋白具有特殊的表面電荷性質及新的膜結合區，有利於進一步了解寨卡病毒NS1蛋白的作用機制及其對疾病的影響；

（2）解析寨卡病毒NS5結構揭示其保守的藥物作用靶點（EMBO J, 2017: DOI:10.15252/embj.201696241）；

（3）首次解析寨卡病毒表面E蛋白的結構，同時破解一株黃病毒廣譜保護性鼠抗 2A10G6與E 蛋白的複合物結構，為寨卡病毒的治療提供了重要的理論基礎和研究思路（Cell Host Microbe, 2016, 19(5): 696-704）。

治療性抗體方面

首次從寨卡病毒康復病人體內分離3株保護性抗體並解析其保護機制，其中兩株抗體高效、特異阻斷寨卡病毒感染，有望進一步開發成藥物，為人類防治寨卡病毒提供了重要的抗體藥物支撐（Sci Transl Med, 2016, 8(369): 369ra179）。

感染機制方面

報道寨卡病毒在小鼠模型中可引起睾丸損傷並最終導致雄性不育，揭示了臨床上寨卡病毒性傳播的機制，呼籲人們高度重視寨卡病毒對生殖健康的風險（Cell, 2016, 167(6): 1511-1524 e1510）。

ABSTRCT：

Zikavirus (ZIKV), a Flaviviridae familymember transmitted to humans by mosquitoes, has emerged as a major healthconcern. ZIKV infections can cause serious neurological complications inadults, and infection in pregnant women can cause congenital malformations,including fetal and newborn microcephaly. In response to this emerging concern,the structural virology field was quick to explore the features of ZIKV. Theseefforts have provided significant insights into ZIKV pathogenesis, and haveidentified targets for drug design. Here, we review the remarkable progress instructure-based ZIKV research and discuss the current challenges and futureopportunities.

Trends

Cryo-electron microscopy (EM) structural studies revealed that the ZIKV particle has two unique features: a protruding N154 glycosylation site and a more compact surface with higher thermostability. Moreover, the immature ZIKV contains a partially ordered capsid protein shell, which is lacking in the mature ZIKV particle, suggesting a rearrangement of capsid shell during maturation.

Both flavivirus E-cross-reactive and ZIKV E-specific neutralizing antibodies confer protection against ZIKV infection in a mouse model, and structural analysis showed that these antibodies bind to different regions on the E protein.

Analysis of the structure of the full-length ZIKV NS1 identified a new membrane-association site in the wing domain, and unique characteristics of its outer surface.

本文相關資料整理自中科院微生物所等網站。

寨卡病毒研究進展相關資料參考病毒學界公眾號往期推送內容：

【2017-03-11】新英格蘭醫學：寨卡病毒在體液中轉陰時間的初步報告

【2017-03-07】微生物所等在寨卡病毒重要藥物靶點NS5研究中取得進展

【2017-03-02】德國學者通過幹細胞研究找到寨卡病毒引發小頭症的科學證據

【2017-01-06】找到"罪魁禍首"？華人科學家首次鎖定寨卡病毒致病蛋白

【2016-12-25】NEJM：巴西里約熱內盧的孕婦中寨卡病毒感染情況分析

【2016-12-18】年終盤點：2016中國學者領跑全球寨卡病毒研究

【2016-12-09】中國科學家揭示恢復期血清有效預防寨卡病毒引起的小頭症

【2016-11-24】【重大發現】寨卡病毒感染與男性生殖密切相關，性傳播值得關注！

【2016-11-12】【重大突破】寨卡病毒全人源單抗療法有望保護胎兒免受病毒侵害

本期編輯：Aviril

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