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生物膜间距在新冠病毒感染过程中的重要调控作用
转载 发布时间:2023-08-25 浏览次数: 98 来源: 病毒学界

核心提示:在新型冠状病毒感染过程中,RBD_ACE2复合体可能作为膜交联分子为Spike蛋白提供了合适的生物膜间距,并且它的功能可以被其他合适的膜距交联分子替代。


  自疫情爆发以来,新型冠状病毒在进化过程中出现了多种表型的突变体,产生了较强的免疫逃逸能力,导致全人类遭受了巨大的生命威胁和财产损失。目前大量新型冠状病毒变种和进化的研究发现,刺突蛋白(Spike)的突变体,不仅增强了自身与受体的结合力,而且还通过降低抗体的中和效力,提升自身免疫逃逸能力,使病毒的感染效率增强【1】。病毒的变异给抗病毒研究和疫苗研发等相关工作带来了艰巨的挑战,因此,探索新型冠状病毒感染宿主细胞的共性分子机理,针对新型冠状病毒在进化上保守的蛋白靶点及入侵过程中的调控机理设计广谱性抑制剂具有深远意义。

  新型冠状病毒入侵宿主细胞主要包括两个过程,Spike蛋白的RBD结构域识别并结合宿主细胞ACE2受体,Spike蛋白发生剧烈的构象变化:S1亚基脱离,Spike蛋白融合肽区域插入宿主细胞膜,S2亚基重排形成六螺旋复合体从而完成与细胞膜的融合【2】。冠状病毒在某种程度上采用了和囊泡融合相似的分子机制来调控入侵过程。虽然Spike蛋白识别并结合受体ACE2是新型冠状病毒感染宿主细胞的关键步骤,但是近期研究发现,TMEM106B、AXL、CD147等膜分子同样可以协助新型冠状病毒入侵宿主细胞【3-5】,证明宿主细胞受体ACE2可能不是病毒入侵所必需的,RBD与ACE2互作,在新型冠状病毒感染过程中的作用是可能被代替的。

  2023年8月17日,四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室赖颖团队在Advanced Science杂志在线发表了题为 A suitable membrane distance regulated by the RBD_ACE2 interaction is critical for SARS-CoV-2 spike-mediated viral invasion 的工作。该研究揭示在新型冠状病毒感染过程中,RBD_ACE2复合体可能作为膜交联分子为Spike蛋白提供了合适的生物膜间距,并且它的功能可以被其他合适的膜距交联分子替代。该研究首次发现改变病毒膜和宿主膜的距离,可以有效抑制Spike蛋白介导的膜融合过程。


  在这项工作中,研究者首先通过体外重组,成功模拟了Spike蛋白介导的新型冠状病毒侵入过程。研究发现相较于S1/S2位点,S2’位点切割后,Spike蛋白介导的病毒膜融合效率明显更高。并且,RBD与ACE2亲和力与膜融合效率呈正相关。此外,在缺乏ACE2的情况下,在细胞-囊泡和细胞-细胞融合实验中利用neutravidin_biotin互作或互补DNA链分别交联模拟病毒和宿主细胞的生物膜,Spike蛋白依然可以促发膜融合过程。研究者还发现使用合适长度的互补DNA链才会促发融合,证明病毒囊膜与宿主细胞膜之间的距离对Spike蛋白介导的膜融合过程至关重要。同时也表明RBD_ACE2复合体可能是作为膜距调节分子,桥接病毒和宿主细胞膜,这对病毒入侵宿主细胞是必要的,但也是可以被替代的。最后,研究者也证明了在ACE2存在的情况下,通过改变膜间距可以显著抑制Spike介导的膜融合过程,这可能为膜交联分子成为新型抗病毒感染的广谱性抑制剂奠定了良好的理论基础。

  综上所述,该研究有机地整合和运用多学科交叉实验方法,阐明了RBD_ACE2的相互作用在病毒感染过程中的作用,即通过桥接病毒和宿主细胞膜,为Spike蛋白启动病毒入侵提供合适的膜间距。通过改变病毒膜和宿主膜的距离,可以有效抑制Spike蛋白介导的膜融合过程。这些研究结果揭示了新冠病毒变种与进化上保守的病毒侵入机制,操控膜间距可能成为开发广谱抗病毒抑制剂的一种新策略。


  图1: 操控膜间距可调控Spike介导的膜融合过程。

  本研究得到了四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室的大力支持,赖颖研究员为本研究通讯作者,博士研究生吴梦丹,硕士研究生李巍为该文章的共同第一作者。

  参考文献:1. Harvey, W. T.; Carabelli, A. M.; Jackson, B.; Gupta, R. K.; Thomson, E. C.; Harrison, E. M.; Ludden, C.; Reeve, R.; Rambaut, A.; Peacock, S. J.; Robertson, D. L., SARS-CoV-2 variants, spike mutations and immune escape. Nat Rev Microbiol 2021, 19 (7), 409-424.2. Jackson, C. B.; Farzan, M.; Chen, B.; Choe, H., Mechanisms of SARS-CoV-2 entry into cells. Nat Rev Mol Cell Biol 2022, 23 (1), 3-20.3. Wang, S.; Qiu, Z.; Hou, Y.; Deng, X.; Xu, W.; Zheng, T.; Wu, P.; Xie, S.; Bian, W.; Zhang, C.; Sun, Z.; Liu, K.; Shan, C.; Lin, A.; Jiang, S.; Xie, Y.; Zhou, Q.; Lu, L.; Huang, J.; Li, X., AXL is a candidate receptor for SARS-CoV-2 that promotes infection of pulmonary and bronchial epithelial cells. Cell Res 2021, 31 (2), 126-140.4. Baggen, J.; Jacquemyn, M.; Persoons, L.; Vanstreels, E.; Pye, V. E.; Wrobel, A. G.; Calvaresi, V.; Martin, S. R.; Roustan, C.; Cronin, N. B.; Reading, E.; Thibaut, H. J.; Vercruysse, T.; Maes, P.; De Smet, F.; Yee, A.; Nivitchanyong, T.; Roell, M.; Franco-Hernandez, N.; Rhinn, H.; Mamchak, A. A.; Ah Young-Chapon, M.; Brown, E.; Cherepanov, P.; Daelemans, D., TMEM106B is a receptor mediating ACE2-independent SARS-CoV-2 cell entry. Cell 2023, 186 (16), 3427-3442.e22.5. Wang, K.; Chen, W.; Zhang, Z.; Deng, Y.; Lian, J. Q.; Du, P.; Wei, D.; Zhang, Y.; Sun, X. X.; Gong, L.; Yang, X.; He, L.; Zhang, L.; Yang, Z.; Geng, J. J.; Chen, R.; Zhang, H.; Wang, B.; Zhu, Y. M.; Nan, G.; Jiang, J. L.; Li, L.; Wu, J.; Lin, P.; Huang, W.; Xie, L.; Zheng, Z. H.; Zhang, K.; Miao, J. L.; Cui, H. Y.; Huang, M.; Zhang, J.; Fu, L.; Yang, X. M.; Zhao, Z.; Sun, S.; Gu, H.; Wang, Z.; Wang, C. F.; Lu, Y.; Liu, Y. Y.; Wang, Q. Y.; Bian, H.; Zhu, P.; Chen, Z. N., CD147-spike protein is a novel route for SARS-CoV-2 infection to host cells. Signal Transduct Target Ther 2020, 5 (1), 283.

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