Nature Microbiology | 周正洪课题组揭示BTV病毒入侵的分子机理

病毒入侵宿主细胞进而在细胞内复制组装是一个高度调控的过程，在这个过程中，病毒需要穿过细胞膜同时又不能破坏宿主细胞的完整性。这一过程对于有囊膜包被的病毒（enveloped virus）研究得较为清楚，例如流感病毒，HIV病毒和正在全球大流行的新型冠状病毒（SARS-CoV-2）等。这些病毒的入侵都是通过表面糖蛋白介导的病毒囊膜与宿主细胞膜融合来实现的。但是对于无囊膜包被的病毒（non-enveloped viruses）是如何穿透细胞膜屏障进入宿主细胞质从而开始复制的机理尚不清楚。

2021年10月26日，加州大学洛杉矶分校的周正洪团队联合伦敦卫生与热带医学院的Polly Roy 团队（第一作者为夏显）在Nature Microbiology上发表了题为Bluetongue virus capsid protein VP5 perforates membranes at low endosomal pH during viral entry的文章，以双链RNA病毒bluetongue virus（BTV）为研究对象，解析了非囊膜病在late endosome低pH诱导下的构象变化以及入侵的机理。

非囊膜病毒的一个典型代表就是蓝舌病病毒（bluetongue virus, BTV）。蓝舌病是由蓝舌病毒引起的一种严重的传染病，主要在反刍动物间传播，如牛、羊、鹿等，目前并没有有效的治疗药物。BTV病毒颗粒由衣壳蛋白VP3和VP7包裹着10段双链RNA基因组和转录复制复合物形成核心颗粒，核心颗粒外层依附着受体结合蛋白VP2和膜穿孔蛋白VP5。入侵过程中，病毒结合细胞表面受体，以胞吞的方式进入细胞。在late endosome低pH环境的诱导下，病毒会发生构象变化，并由VP5介导穿透late endosome的囊膜进入胞质【1】。但是VP5如何在低pH诱导下发生构象变化，以及如何与囊膜相互作用的机理并不清楚。

本文中作者将纯化的BTV病毒铺在电镜载网上，在载网上改变pH以诱导病毒构象变化后马上制成冷冻样品。通过单颗粒重构及三维分类后获得了BTV病毒3.4Å的低pH状态结构以及三种低pH诱导的中间状态结构。结果显示，低pH首先诱导VP5产生构象变化形成长长的茎状结构，然后外层的受体结合蛋白VP2会逐渐掉落，最后病毒变为低pH状态。接着作者利用冷冻电镜断层重构的方法分析病毒与脂质体的相互作用，发现VP5茎状结构插入磷脂双分子层后，长度由19.5 nm下降到15.5 nm。然后在其他膜结合元件的共同作用下，BTV病毒能够在囊膜上打孔。随后这个孔逐步扩大到允许病毒核心颗粒逃逸出来从而进入宿主细胞质中而开启病毒的复制。同时作者通过突变和生化实验验证了这些实验结果，提出低pH诱导的BTV病毒入侵的机理模型。

本文报道的BTV在late endosome内的构象变化与另外一种无囊膜病毒rotaviruses【2】的变化有类似之处，表明这项研究中提出的病毒入侵的机理模型可能也适用于其他一些无囊膜病毒，对于其他无囊膜病毒的研究和针对病毒入侵的药物设计都有重要的指导意义。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41564-021-00988-8

1. X. Zhang et al., Atomic model of a nonenveloped virus reveals pH sensors for a coordinated process of cell entry. Nat Struct Mol Biol 23, 74-80 (2016).

2. T. Herrmann et al., Functional refolding of the penetration protein on a non-enveloped virus. Nature 590, 666-670 (2021).