辛德毕斯病毒3.5Å冷冻电镜结构揭示甲病毒侵入及装配机制

辛德毕斯病毒(Sindbis virus，SINV)与东部马脑炎病毒(Eastern equine encephalitis virus，EEEV)、委内瑞拉马脑炎病毒(Venezuelan equine encephalitis virus，VEEV)等均属于披膜病毒科(Togaviridae)甲病毒属(Alphavirus)的成员。甲病毒具有相似的基因组结构及致病策略，以虫媒传播为主，在世界上广泛分布，其中EEEV 和VEEV 感染可引起人或其他哺乳动物的严重脑炎、神经功能紊乱、甚至死亡，至今尚未开发出具有针对性的药物或疫苗。SINV 感染人只引起发热、头痛等轻微症状，通常可自愈，属于温和型病原体，实验室操作安全，可作为模式病毒研究甲病毒的致病机制。甲病毒粒子呈球形，直径约70 nm，有囊膜，病毒衣壳呈T=4 二十面体对称结构。由于病毒粒子具有一定的多态性，给高分辨的结构解析带来困难。之前发表的VEEV 冷冻电镜结构最高分辨率为4.8Å，无法对病毒蛋白的结构特征进行详细分析。

近期发表于《Nature Communications》的研究论文报道了一个分辨率达到3.5Å SINV 的冷冻电镜(Cryo-EM)结构，该结构是甲病毒的第一个准原子分辨率结构。为克服病毒形态多样性给结构解析带来的困难，作者利用先期建立并发表于同一杂志的局部重构(Block-based)方法，将病毒的冷冻电镜密度分为3 个Block 分别进行重构和优化，然后将3 部分组合，最后重构出全病毒的结构。这种方法的应用突破了甲病毒高分辨率结构解析的瓶颈，最终获得了病毒衣壳和纤突蛋白分辨率分别为4.7Å 和3.5 Å 的冷冻电镜结构，为病毒结构特征分析奠定了基础。

基于该结构，研究对病毒糖蛋白之间的互做模式，以及这些特征对病毒侵入和装配的意义进行了系统分析。甲病毒的膜融合是通过纤突蛋白在低pH条件下的构象改变，进而暴露位于E1 蛋白上的膜融合肽而触发的。E2 蛋白β-ribbon connector 被证实在纤突蛋白构象变化中起重要作用。在该SINV 的结构中，β-ribbon connector 上的H170 同E1 S57 通过氢键互做，而E2 上的H164 和H211 之间通过氢键的形成来稳定上述互做。在低pH 条件下，E2 H164 和H211 之间的氢键断裂造成的构象变化会打断H170 同E1 S57 的互做，从而引起E1 和E2 的构象变化，为膜融合做准备。β-ribbon connector 主要通过疏水作用同E3 互做，参与互做的氨基酸主要包括E3 的L34、Y46 、Y26 和β-ribbon connector 的K219，同样E3 对稳定β-ribbon connector 的结构起重要作用。除E1/E2/E3 之间的互做外，该研究还对病毒表面组成二十面体格栅的80 个三聚体之间互做模式进行了分析，发现存在两种互做模式，分别为命名为I 类和II 类，在两类互做界面上均有完全保守的氨基酸存在，它们对病毒二十面体对称结构的组装具有重要意义。

该研究还发现在E2 糖蛋白的D 结构域附近形成一个疏水口袋状结构，是由E1、E2 糖蛋白的跨膜螺旋区域结构共同形成，而该疏水口袋是由高度保守的氨基酸组成，在此疏水口袋中发现存在一个脂类小分子结构--pocket factor，该小分子结构与周围的疏水氨基酸通过氢键作用，稳定疏水口袋的形成，推测该结构的形成也可能在病毒侵入和组装过程中发挥着重要作用。