近日，中国科学院武汉病毒研究所/病毒学国家重点实验室李峰研究员团队在国际学术期刊ACS Nano在线发表了一项题为“Transformation of a Viral Capsid from Nanocages to Nanotubes and Then to Hydrogels: Redirected Self-Assembly and Effects on Immunogenicity”的研究工作。该研究实现了病毒衣壳蛋白组装体从笼形到管状、再进一步到纳米管水凝胶的转变，并揭示了这种纳米形态转变带来的免疫学效应。
不同形态往往能赋予生物系统差异化的功能。生物大分子自组装是生物结构、机器乃至系统形态发生的主要途径之一，病毒是其中的典型代表。天然病毒衣壳存在两种基本形态，即正二十面体对称的球形和螺旋对称的棒状。病毒衣壳蛋白可自组装形成病毒样颗粒（virus-like particles ，VLPs），广泛应用于生物医药、材料学等不同领域。当前VLP的应用与研究都是基于上述两种形态。如果能操控VLP自组装获得其它形态的结构，则可能赋予其更优异的性质或全新的功能。例如，感染人类和动物的病毒绝大多数都是球形，已获临床应用的VLP疫苗更是只有球形。如果球形VLP能转换成其它形态，对其免疫原性将产生什么影响？
围绕上述问题，李峰团队与合作者以MS2 VLP为模式体系，借助分子动力学模拟，对组装界面关键区域FG loop进行再设计，将70号位点突变为半胱氨酸，由其介导形成新的强相互作用（二硫键），打破天然正二十面体对称轴附近界面作用力的同时，引导组装单元（衣壳蛋白二聚体）形成一维结构。实验证实，上述突变联合46号位点突变（排除内源半胱氨酸潜在干扰），可使其球形纳米笼结构完全转变成超细双螺旋纳米管，平均长度约1 μm，外径8.6 nm，内径2.6 nm。高分辨冷冻电镜结构显示，突变蛋白的二级和三级结构与野生型几乎相同，但FG loop柔性有差异，组装单元形成了与野生型完全不同的排布模式。更有意思的是，70号位点突变成疏水性侧链氨基酸也能形成类似的纳米管，而突变成组氨酸则能获得单螺旋纳米管。进一步，在纳米管表面75号位点引入半胱氨酸，可引发纳米管交联形成还原响应型凝胶块体（图1）。利用该可变形组装体系，他们比较了纳米笼、纳米管和纳米管凝胶三种不同形态对MS2衣壳蛋白免疫原性的影响：相比纳米笼，纳米管可显著提升体液和细胞免疫应答水平，纳米管凝胶虽不能显著提升体液免疫应答水平，但能大大提升CD8+ T细胞的细胞因子分泌水平和细胞的杀伤功能（图2）。该工作获得了首个多层级、可变形的VLP自组装体系，揭示了组装形态对病毒衣壳蛋白免疫原性的重要影响，为纳米疫苗和其它功能蛋白纳米材料的设计提供了新思路。
武汉病毒所博士研究生杨梦思、饶桂波博士和复旦大学李龙博士为该论文共同第一作者；武汉病毒所李峰研究员、曹晟研究员和复旦大学陈国颂教授为论文共同通讯作者；深圳理工大学张先恩研究员、上海大学魏滨教授等参与了此项研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、武汉市知识创新专项、武汉市重大科技专项等项目的支持。
图1. MS2衣壳蛋白组装体由笼形到管状再到凝胶的形态操控。
图2. 纳米组装形态显著影响MS2病毒衣壳蛋白的免疫应答。CPWT，纳米笼；CPC46A/Q70C，纳米管；CPC46A/Q70C/V75C，纳米管凝胶。
AbstractThe ability to manipulate the self-assembly of proteins is essential to understanding the mechanisms of life and beneficial to fabricating advanced nanomaterials. Here, we report the transformation of the MS2 phage capsid from nanocages to nanotubes and then to nanotube hydrogels through simple point mutations guided by interfacial interaction redesign. We demonstrate that site 70, which lies in the flexible FG loop of the capsid protein (CP), is a “magic” site that can largely dictate the final morphology of assemblies. By varying the amino acid at site 70, with the aid of a cysteine-to-alanine mutation at site 46, we achieved the assembly of double-helical or single-helical nanotubes in addition to nanocages. Furthermore, an additional cysteine substitution on the surface of nanotubes mediated their cross-linking to form hydrogels with reducing agent responsiveness. The hierarchical self-assembly system allowed for the investigation of morphology-related immunogenicity of MS2 CPs, which revealed dramatic differences among nanocages, nanotubes, and nanotube hydrogels in terms of immune response types, antibody levels and T cell functions. This study provides insights into the assembly manipulation of protein nanomaterials and the customized design of nanovaccines and drug delivery systems.
文章链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c01969
本期来源：武汉病毒研究所
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