夏寧邵教授團隊在Nature Microbiology期刊發(fā)表研究成果
9月7日，夏寧邵教授團隊在《自然》子刊《自然?微生物學(xué)》（Nature Microbiology）上發(fā)表題為“Near-atomic cryo-electron microscopy structures of varicella-zoster virus capsids”的研究論文。該研究首次揭示了皰疹病毒α家族的水痘-帶狀皰疹病毒（VZV）不同類型核衣殼的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，闡明了VZV核衣殼不同組成蛋白的相互作用網(wǎng)絡(luò)與衣殼裝配機制，可為進一步開展新型載體疫苗設(shè)計及抗病毒藥物等研究提供重要支持。
VZV是一種廣泛存在并且具有高度傳染性的人類α-皰疹病毒。初次感染VZV可導(dǎo)致水痘，人群普遍易感（感染率約為61% ~ 100%）。該病毒可在背根神經(jīng)節(jié)潛伏感染，持續(xù)終生。水痘在全世界造成了巨大的疾病負(fù)擔(dān)，每年至少有1.4億新發(fā)水痘病例、420萬水痘嚴(yán)重并發(fā)癥病例以及4200死亡病例。此外，近三分之一的VZV感染者在年老時會因潛伏于神經(jīng)的VZV重新激活而引起帶狀皰疹，通常伴有劇烈的神經(jīng)痛，即使治愈后還會發(fā)生后遺神經(jīng)痛，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。水痘和帶狀皰疹還會在新生兒與免疫缺陷人群中導(dǎo)致嚴(yán)重的危及生命的并發(fā)癥。當(dāng)前，VZV防治方法仍存在重大挑戰(zhàn)，尚無特效治療藥物，現(xiàn)有疫苗存在仍保留神經(jīng)毒力的風(fēng)險隱患和適用人群限制等問題。由于VZV是一種結(jié)構(gòu)及生活史均較復(fù)雜的皰疹病毒，研究難度較大，目前對VZV的顆粒結(jié)構(gòu)組裝、復(fù)制和潛伏復(fù)發(fā)等依然缺乏全面和清晰的認(rèn)識，嚴(yán)重制約了相關(guān)新藥研發(fā)。衣殼裝配是病毒生活周期的關(guān)鍵步驟，是尋找和設(shè)計抗病毒藥物的良好靶標(biāo)。近年來，隨著冷凍電鏡（Cryo-EM）等技術(shù)的迅速發(fā)展，已有多種人類皰疹病毒的高分辨率衣殼結(jié)構(gòu)獲得解析。然而，由于VZV存在體外培養(yǎng)滴度低、細(xì)胞結(jié)合性強等特性，難以獲得足夠且高純度的病毒顆粒，長期以來一直制約了相關(guān)研究的開展，目前仍然缺乏關(guān)于VZV衣殼顆粒的精確結(jié)構(gòu)、蛋白組成及其相互作用機制的系統(tǒng)認(rèn)識。
夏寧邵教授團隊長期開展VZV相關(guān)基礎(chǔ)與新型疫苗研究，通過系統(tǒng)和精細(xì)探索建立了高效的VZV規(guī)?；囵B(yǎng)和病毒顆粒純化技術(shù)體系，成功獲得高質(zhì)量的VZV顆粒樣品。發(fā)現(xiàn)VZV衣殼主要存在兩種顆粒類型，分別為包含病毒核酸的成熟衣殼與不含核酸的空心衣殼。應(yīng)用冷凍電鏡技術(shù)與局部重構(gòu)（Localized reconstruction）技術(shù)首次獲得了兩種衣殼的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，分辨率分別為4.1 ?和3.5 ?，提供精細(xì)的衣殼組成與結(jié)構(gòu)特征信息。VZV兩種衣殼顆粒的結(jié)構(gòu)特征總體相似，與同屬人類α皰疹病毒的單純皰疹病毒（HSV）衣殼整體結(jié)構(gòu)也存在較多相似之處，提示了通過靶向共有關(guān)鍵相互位點發(fā)現(xiàn)人類皰疹病毒潛在的廣譜抗病毒靶標(biāo)的可能性。研究發(fā)現(xiàn)，與其它已知皰疹病毒衣殼不同，VZV衣殼具有更多的柔性區(qū)域，且衣殼蛋白之間、衣殼與皮層蛋白之間的相互作用均相對較弱，但VZV衣殼仍然具有與其它皰疹病毒衣殼相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這可能與VZV具有人類皰疹病毒中最小的基因組有關(guān)。VZV衣殼具有人類皰疹病毒中最大的小衣殼蛋白（SCP），該蛋白對VZV感染必不可少，其結(jié)構(gòu)具有獨特的、延伸至VZV病毒顆粒皮層的柔性C端區(qū)域，該區(qū)域與VZV衣殼出核和包膜組裝直接相關(guān)。此外，此次研究還發(fā)現(xiàn)VZV基因組最外層有部分插入到由主要衣殼蛋白（MCP）組成的六鄰體腔內(nèi)，目前僅在具有皰疹病毒家族最大基因組的人巨細(xì)胞病毒（HCMV）衣殼有發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，研究提出這種特殊的基因組排列特征可能與病毒基因組和衣殼六鄰體腔內(nèi)部的分子靜電作用相關(guān)，而不僅僅是此前認(rèn)為的與病毒基因組大小相關(guān)。此次研究填補了人類α皰疹病毒VZV結(jié)構(gòu)信息空白，為揭示不同皰疹病毒結(jié)構(gòu)異同點并進一步研究該類病毒組裝的共性問題提供重要基礎(chǔ)，也為廣譜抗病毒藥物和新型疫苗的研制提供科學(xué)線索和理論依據(jù)。
另外，夏寧邵教授團隊長期開展VZV致病機理與新型水痘減毒活疫苗研究，近年來取得一系列進展：發(fā)現(xiàn)VZV可導(dǎo)致合胞體細(xì)胞的細(xì)胞核膜發(fā)生融合作用，揭示了VZV感染后細(xì)胞病變的新特征（Virology2017）；基于人胚肺嵌合小鼠建立了VZV人胚肺體內(nèi)感染模型，可用于支持VZV對人肺臟的感染與致病機制研究（Antiviral Research2017）；發(fā)現(xiàn)皮層蛋白ORF7與VZV衣殼之間存在相互作用，可能影響VZV衣殼在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的二次包膜與組裝成熟（Journal of Virology2017）；基于類病毒顆粒聯(lián)合展示VZV與人腸道病毒71型（EV71）優(yōu)勢中和表位的新型表位疫苗（Vaccine2017）；揭示VZV皮膚與神經(jīng)趨向性因子ORF7與重要皮層蛋白ORF53的相互作用，為VZV致病機制研究提供基礎(chǔ)（Virologica Sinica2017）。此次發(fā)表的研究成果有望為深入了解VZV衣殼與關(guān)鍵毒力因子的互作關(guān)系，進一步系統(tǒng)揭示病毒感染與致病機制提供重要支持。在VZV新型疫苗研發(fā)方面，與萬泰生物合作開發(fā)基于反向遺傳學(xué)技術(shù)構(gòu)建了敲除ORF7的皮膚與神經(jīng)雙減毒的新型水痘減毒活疫苗（VZV-7D），已進入IIa期臨床試驗階段。
博士后王瑋、高級工程師鄭清炳、博士生潘德全和俞海副教授為該論文共同第一作者，夏寧邵教授、程通副教授、李少偉教授以及美國羅格斯大學(xué)朱樺（Hua Zhu）教授、加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校周正洪（Z. Hong Zhou）教授為該論文的共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、新藥創(chuàng)制國家科技重大專項和傳染病防治國家科技重大專項等資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41564-020-0785-y
（圖/文 國家傳染病診斷試劑與疫苗工程技術(shù)研究中心）
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