清华大学医学院向烨课题组深度解析流感病毒膜融合机制

2020年11月30日，清华大学医学院向烨课题组在Plos Pathogen杂志发表了题为“Structural intermediates in the low pH-induced transition of influenza hemagglutinin”的研究论文。流感病毒（Influenza virus）是人类常见且极具威胁性的病原体之一，可引起季节性或流行性感冒。因为流感病毒的快速突变及其跨种属传播特性，通用疫苗被认为是应对流感病毒威胁的可能有效手段，但其研发一直以来是一个巨大挑战。流感病毒血凝素（hemagglutinin，HA）是介导病毒入侵宿主细胞的关键蛋白，也是抗流感病毒中和抗体的主要靶点。HA包含HA1和HA2两个亚单位，以三聚体突刺形式分布于病毒囊膜表面。HA三聚体从结构上可分为头部（head）和茎部（stem）两部分。HA头部含有其受体结合位点，HA茎部含有疏水的膜融合肽（fusion peptide）和由HA2的C端形成的跨膜区。病毒进入宿主细胞时，HA的构象会随着pH降低发生一系列改变，最终实现由膜融合前状态（pre-fusion）到膜融合后状态（post-fusion）的转变，并介导病毒膜与宿主细胞膜的融合。

流感病毒HA蛋白融合前到融合后的构象变化迅速且不稳定，捕捉其中间状态结构一直是领域内的难题。该研究创新性地使用结合HA头部的中和抗体，体外酸性pH处理HA-抗体复合物后立刻制备冷冻样品，经过冷冻电镜三维重构解析了酸性pH 5.2处理后全长HA三聚体的3种构象，其中构象A与中性条件下的HA三聚体构象非常相似，但是构象B和C的茎部结构与中性pH构象相比发生了明显变化（图1A）。在构象B中，HA的头部和中央螺旋结构依然保持稳定，但是其膜融合肽从茎部结合口袋释放出来。在构象C中，中央螺旋的结构由中性pH构象中的弯曲状态转变为伸展状态，其近膜端发生了明显的平移和旋转（图1B）。伸展的中央螺旋促使HA茎部外围结构同时发生顺时针偏转。已报道的流感病毒广谱中和抗体表位绝大多数位于HA茎部外围，抗体的结合抑制了该部分的构象变化，阻碍了病毒膜融合过程，进而发挥抗病毒作用。本研究所报道的HA经酸性条件处理后的中间状态结构信息有助于我们深入理解流感病毒侵染的分子机理，同时也为流感病毒的治疗和预防研究提供了新的潜在靶点。

图1. 流感病毒HA蛋白酸性pH 5.2处理后的中间状态。A. 酸性pH处理诱导HA构象转变示意图。B. 中性pH（蓝色）与pH 5.2 构象C（粉色）的中央螺旋结构比对。

清华大学医学院、清华大学北京结构生物学高精尖创新中心与北京生物结构前沿中心PI向烨为本文通讯作者。向烨课题组已出站博士后桂淼为本文共同通讯作者，研究助理高静静为本文第一作者。该研究得到了国家蛋白质科学研究（北京）清华大学基地的设备支持，受到中国科技部、国家自然科学基金、北京结构生物学高精尖创新中心和北京生物结构前沿中心的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1009062

本文来源：清华大学医学院