清华大学团队与武汉病毒研究所团队合作解析西部马脑炎病毒关键受体结合机制

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来源：生命科学前沿

2025-07-29 08:18:33

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核心提示：西部马脑炎病毒（Western equine encephalitis virus, WEEV）是一种由蚊虫传播的甲病毒（Alphavirus），可感染人类和马匹，引发致命性脑炎，历史上曾在美洲地区引发大规模疫情。

西部马脑炎病毒（Western equine encephalitis virus, WEEV）是一种由蚊虫传播的甲病毒（Alphavirus），可感染人类和马匹，引发致命性脑炎，历史上曾在美洲地区引发大规模疫情。研究发现，原钙黏蛋白10（protocadherin 10, PCDH10）是介导WEEV绝大多数毒株感染人类等宿主细胞的通用受体。值得注意的是，高毒性的祖先株还能利用极低密度脂蛋白受体（VLDLR）和载脂蛋白E受体2（ApoER2）入侵细胞。过去一个世纪中，WEEV在北美作为人类病原体的威胁逐渐减弱，其分离株已丧失结合哺乳动物受体（PCDH10、VLDLR、ApoER2）的能力，但仍保留识别鸟类受体的特性。

去年9月，中国科学院武汉病毒研究所王延轶研究员团队鉴定了PCDH10是WEEV的关键受体1。在此基础上，2025年7月8日，清华大学基础医学院娄智勇教授、饶子和院士团队与中国科学院武汉病毒研究所王延轶研究员团队合作，在Nature Communications期刊发表了题为Structural basis for engagement of Western Equine Encephalitis Virus with the PCDH10 receptor的研究论文。该工作解析了WEEV 71V1658毒株病毒样颗粒（Virus-like particle, VLP）与其关键受体PCDH10的高分辨率冷冻电镜复合物结构，从原子层面揭示了WEEV与PCDH10相互作用的精细结构基础与分子机制，为理解甲病毒感染机制及开发防控策略提供了重要的理论依据。

研究核心发现：

复合物结构解析：研究团队利用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了WEEV VLPs与PCDH10胞外区的高分辨率结构。结构分析显示，PCDH10的第一个钙黏蛋白重复结构域（Extracellular cadherin repeat 1, EC1）在病毒颗粒的q3和i3对称位置均呈现相同的结合模式。PCDH10-EC1结构域精确地插入到WEEV刺突蛋白三聚体（由E1-E2异源二聚体组成）相邻亚基形成的“狭缝”中，与一个E2-E1异源二聚体中的E1、E2蛋白，以及相邻的另一个E1'-E2'异源二聚体中的E2'蛋白发生广泛相互作用。定量计算表明，PCDH10-EC1与病毒刺突蛋白的总互作面积高达1080 Å²（占PCDH10-EC1溶剂可及表面积的显著比例），提示存在强烈的病毒-受体相互作用。具体而言，PCDH10-EC1分别与E1、E2和E2'蛋白的互作面积约为235 Å²、377 Å²和468 Å²。

关键作用残基鉴定：通过结构比对和界面分析，研究人员精确定位了PCDH10-EC1上与病毒相互作用的多个关键氨基酸残基（分布在四个主要区域）。这些残基包括：与E1作用的PCDHQ1、PCDHH3；与E2作用的PCDHQ1、PCDHD22、PCDHP71、PCDHS72、PCDHP76、PCDHQ89；以及与相邻E2'作用的PCDHV38、PCDHP39、PCDHN40、PCDHR42、PCDHF80、PCDHE82、PCDHL85、PCDHE86。

功能验证与核心位点确认：为评估这些残基对受体结合功能的重要性，研究团队构建了PCDH10-EC1-EC2-Fc的系列点突变体（替换为丙氨酸），并采用生物膜干涉技术（BLI）测定其与WEEV VLPs的结合亲和力。结果显示，突变PCDHQ1、PCDHN40或PCDHR42 完全消除了受体结合能力。进一步的细胞感染实验（使用表达WEEV包膜蛋白的SINV嵌合病毒）证实：稳定表达PCDHN40A或PCDHR42A突变蛋白的HEK293T细胞能完全不能促进病毒感染；而表达PCDHQ1A突变则显著降低了促进病毒入侵效率。这明确了PCDHQ1、PCDHN40和PCDHR42在WEEV感染过程中的关键作用。

受体特异性转变的结构基础：为解释WEEV历史分离株丧失结合人类受体的现象，研究人员通过序列比对发现，在Imperial 181等分离株的E2糖蛋白153位存在独特的亮氨酸（L）到谷氨酰胺（Q）突变（L153Q）。BLI实验证实，Imperial 181 VLPs无法结合人源PCDH10；而将该位点回补突变为亮氨酸（Q153L）则能恢复其结合能力。

跨物种传播的分子机制：虽然Imperial 181毒株失去了结合人类PCDH10、VLDLR和ApoER2的能力，但仍能识别禽类PCDH10。序列分析揭示，人源PCDH10第89位为谷氨酰胺（Q89），而小鼠、马和麻雀的PCDH10则为精氨酸（R89）。BLI结果显示，禽源PCDH10-EC1-EC2-Fc能与Imperial 181 VLPs结合；但将其89位精氨酸突变为谷氨酰胺（R89Q）则完全破坏了这种结合。这证明禽类PCDH10的R89残基是维持其与Imperial 181毒株相互作用的关键。

甲病毒受体结合界面的保守性：通过比较WEEV/PCDH10复合物与其他脑炎型甲病毒（如委内瑞拉马脑炎病毒VEEV、东方马脑炎病毒EEEV）与其各自受体复合物的结构，研究人员发现尽管整体界面不同，但仍存在保守的相互作用区域，包括WEEV E1的85-97位残基、E2的153-166位残基和180-187位残基（及其在VEEV和EEEV中的对应序列）。特别值得注意的是，E2糖蛋白的153-166位残基区域在WEEV/PCDH10、WEEV/duMXRA8、VEEV/LDLRAD3、EEEV/VLDLR复合物中均参与受体结合，强烈提示该区域在甲病毒受体结合中具有普遍的关键作用。这些保守结构信息为开发针对多种甲病毒的广谱抗体或抑制剂提供了潜在靶点。

研究意义：

本研究通过解析WEEV与其关键受体PCDH10的高分辨率复合物结构，在原子层面阐明了病毒受体识别的结构基础和特异性决定因素，揭示了导致WEEV历史性受体特异性转变（从结合人/哺乳动物受体转向鸟类受体）的关键氨基酸变异。这不仅深化了对甲病毒宿主适应性、跨物种传播机制的理解，也为未来开发基于受体阻断策略的抗病毒疗法和广谱防控手段奠定了重要的结构生物学基础。