辛德畢斯病毒3.5?冷凍電鏡結(jié)構(gòu)揭示甲病毒侵入及裝配機(jī)制

辛德畢斯病毒(Sindbis virus，SINV)與東部馬腦炎病毒(Eastern equine encephalitis virus，EEEV)、委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒(Venezuelan equine encephalitis virus，VEEV)等均屬于披膜病毒科(Togaviridae)甲病毒屬(Alphavirus)的成員。甲病毒具有相似的基因組結(jié)構(gòu)及致病策略，以蟲媒傳播為主，在世界上廣泛分布，其中EEEV 和VEEV 感染可引起人或其他哺乳動(dòng)物的嚴(yán)重腦炎、神經(jīng)功能紊亂、甚至死亡，至今尚未開發(fā)出具有針對性的藥物或疫苗。SINV 感染人只引起發(fā)熱、頭痛等輕微癥狀，通?？勺杂?，屬于溫和型病原體，實(shí)驗(yàn)室操作安全，可作為模式病毒研究甲病毒的致病機(jī)制。甲病毒粒子呈球形，直徑約70 nm，有囊膜，病毒衣殼呈T=4 二十面體對稱結(jié)構(gòu)。由于病毒粒子具有一定的多態(tài)性，給高分辨的結(jié)構(gòu)解析帶來困難。之前發(fā)表的VEEV 冷凍電鏡結(jié)構(gòu)最高分辨率為4.8?，無法對病毒蛋白的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行詳細(xì)分析。

近期發(fā)表于《Nature Communications》的研究論文報(bào)道了一個(gè)分辨率達(dá)到3.5? SINV 的冷凍電鏡(Cryo-EM)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是甲病毒的第一個(gè)準(zhǔn)原子分辨率結(jié)構(gòu)。為克服病毒形態(tài)多樣性給結(jié)構(gòu)解析帶來的困難，作者利用先期建立并發(fā)表于同一雜志的局部重構(gòu)(Block-based)方法，將病毒的冷凍電鏡密度分為3 個(gè)Block 分別進(jìn)行重構(gòu)和優(yōu)化，然后將3 部分組合，最后重構(gòu)出全病毒的結(jié)構(gòu)。這種方法的應(yīng)用突破了甲病毒高分辨率結(jié)構(gòu)解析的瓶頸，最終獲得了病毒衣殼和纖突蛋白分辨率分別為4.7? 和3.5 ? 的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，為病毒結(jié)構(gòu)特征分析奠定了基礎(chǔ)。

基于該結(jié)構(gòu)，研究對病毒糖蛋白之間的互做模式，以及這些特征對病毒侵入和裝配的意義進(jìn)行了系統(tǒng)分析。甲病毒的膜融合是通過纖突蛋白在低pH條件下的構(gòu)象改變，進(jìn)而暴露位于E1 蛋白上的膜融合肽而觸發(fā)的。E2 蛋白β-ribbon connector 被證實(shí)在纖突蛋白構(gòu)象變化中起重要作用。在該SINV 的結(jié)構(gòu)中，β-ribbon connector 上的H170 同E1 S57 通過氫鍵互做，而E2 上的H164 和H211 之間通過氫鍵的形成來穩(wěn)定上述互做。在低pH 條件下，E2 H164 和H211 之間的氫鍵斷裂造成的構(gòu)象變化會(huì)打斷H170 同E1 S57 的互做，從而引起E1 和E2 的構(gòu)象變化，為膜融合做準(zhǔn)備。β-ribbon connector 主要通過疏水作用同E3 互做，參與互做的氨基酸主要包括E3 的L34、Y46 、Y26 和β-ribbon connector 的K219，同樣E3 對穩(wěn)定β-ribbon connector 的結(jié)構(gòu)起重要作用。除E1/E2/E3 之間的互做外，該研究還對病毒表面組成二十面體格柵的80 個(gè)三聚體之間互做模式進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)存在兩種互做模式，分別為命名為I 類和II 類，在兩類互做界面上均有完全保守的氨基酸存在，它們對病毒二十面體對稱結(jié)構(gòu)的組裝具有重要意義。

該研究還發(fā)現(xiàn)在E2 糖蛋白的D 結(jié)構(gòu)域附近形成一個(gè)疏水口袋狀結(jié)構(gòu)，是由E1、E2 糖蛋白的跨膜螺旋區(qū)域結(jié)構(gòu)共同形成，而該疏水口袋是由高度保守的氨基酸組成，在此疏水口袋中發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)脂類小分子結(jié)構(gòu)--pocket factor，該小分子結(jié)構(gòu)與周圍的疏水氨基酸通過氫鍵作用，穩(wěn)定疏水口袋的形成，推測該結(jié)構(gòu)的形成也可能在病毒侵入和組裝過程中發(fā)揮著重要作用。