近日，加州大学洛杉矶分校（UCLA）周正洪课题组在国际学术期刊《Science Advances》在线发表了题为“Capturing intermediates and membrane remodeling in class III viral fusion”的研究论文，首次解析了 VSV G 蛋白在膜融合过程中的动态构象变化，为揭示病毒如何突破宿主细胞膜提供了重要的结构信息。
囊膜病毒进入宿主细胞的一个关键步骤是病毒囊膜与宿主细胞膜的融合，继而病毒基因组被注入宿主细胞中以开启后续的复制过程，该膜融合过程由镶嵌在病毒囊膜表面的特异性糖蛋白介导，即膜融合蛋白。在特定信号的诱导下，膜融合蛋白发生一系列构象变化，以完成膜的融合。依据不同的结构与工作机制，膜融合蛋白被分为三类，其中，不同病毒来源的 III 型膜融合蛋白的融合前和融合后构象的结构相继被解析，然而其构象改变的中间状态由于其不稳定性，一直处于未知状态（图1）。
图1 病毒融合蛋白的分类及III类融合蛋白的结构动力学
在本项研究中，研究团队采用了最前沿的冷冻电子断层扫描技术（Cryo-ET）。这种技术通过将生物样品在极低温下迅速冷冻，保证能够在接近生物分子实际状态的条件下进行成像，以捕捉蛋白分子动态变化过程的关键瞬间。为了观察 VSV 病毒囊膜与细胞膜的融合，研究人员通过模拟 VSV 被宿主细胞内吞后位于内吞体中的酸性环境，将纯化的 VSV 病毒粒子与体外构建的脂质体在 pH 5.5 的缓冲液中孵育不同的时间，以诱导 VSV G 的构象变化。Cryo-ET 技术使得团队成功捕捉到 VSV G 蛋白从稳定的融合前三聚体构象解聚后的一系列中间构象，以及该过程中发生的膜重构的全过程。通过三维形态分析，VSV G 各种中间构象被归纳为四大类：弯折型、扭曲型，伸展型和 Y 型；与前三种类型不同，Y 型中间态更接近解聚后的二聚体状态。通过对不同孵育时间下各种不同中间构象占比进行统计，Y 型中间态在孵育早期阶段占主导地位，暗示了 VSV G 早期的解聚；而伸展型中间体随着时间的推移而变得更加普遍，这与 VSV G 在融合后期的作用一致，即构象打开伸长并与宿主细胞膜结合。结合 VSV G 不同中间构象下，病毒囊膜与脂质体膜重塑的对应中间状态，研究人员重现了从点接触到最终形成融合孔的全过程，并提出了 VSV G 在构象改变过程中通过延伸将其疏水的融合环插入宿主细胞膜后再坍缩成融合后构象的动态变化机制模型。最终两膜融合，病毒的遗传物质得以进入宿主细胞（图 2）。
图2 VSV G 介导膜融合的工作模型
膜融合是病毒入侵宿主细胞的关键步骤，因此了解这一过程对于抗病毒药物的研发至关重要。得益于 cryo-ET 相关技术的不断发展，本研究实现了实时观察病毒与宿主细胞膜融合的动态过程，进一步揭示了病毒入侵的秘密。这一发现为抗病毒药物的研发提供了新的靶点：通过干扰 G 蛋白的中间状态，阻止病毒膜融合，可以有效防止病毒进入细胞，进而控制感染。
美国加州大学洛杉矶分校的周正洪教授为论文的通讯作者，博士生 Lenka Milojevic 和博后司竹为本文的共同第一作者。博后夏显、何垚以及学生 Lauren Chen 也参与到该研究中并作出贡献。参加研究的还有美国佐治亚州立大学的罗明教授和博士生唐斯佳。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn8579
文章来源：丁香学术
本期编辑：可爱晨
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