NSMB | 宋吉奎/海戎/周正洪等合作揭示黄病毒抑制宿主先天免疫的分子机理

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进入二十一世纪以来，频繁暴发的区域性或世界范围内的病毒疫情对公共卫生造成了严重的威胁。这其中包括当下仍在蔓延的新冠（SARS-CoV-2）病毒和2015-2016年爆发的寨卡 （Zika）病毒。为达到有效的感染和繁殖，这些病毒首先需要突破宿主免疫体系的第一道防线，所谓的先天免疫（innate immunity）。通常，当病毒侵入宿主的细胞内，病原体会被宿主的先天免疫系统识别，从而激活胞内的转录因子，包括STAT1, STAT2和IRF9所形成的ISGF3复合物。随后，ISGF3复合物进入核内，引发大量I型干扰素（IFN-I）的表达和分泌。分泌的干扰素可以被细胞的表面受体识别，从而激活一系列的信号通路，诱发数百个抗病毒基因的表达，最终导致宿主进入抗病毒状态。为突破这道防线，病毒会通常采用自身编码蛋白去抑制先天免疫的关键组份，比如STAT2。因此，研究病毒与宿主之间的作用机制，可以为研制高效抗病毒靶向药物提供新的思路。

寨卡病毒，作为黄病毒属家族的成员之一，是一种单正链RNA病毒。其它常见的黄病毒包括登革热病毒（dengue virus）、乙型脑炎病毒（Japanese encephalitis virus）、黄热病毒（Yellow fever virus）和西尼罗河病毒（West Nile virus），等等。这类病毒通常通过吸血的节肢动物（譬如蚊子）传播，从而在世界各地造成大规模的疫情流行。比如在我国南方的广东和香港等地，登革热病毒伴随雨季和蚊虫传播，已经发展成了一种地方性的流行性传染病。因此，详细地了解黄病毒感染和繁殖的分子机理，并据此有针对性地设计药物和疫苗，对公共卫生具有重大的现实意义。

2009年和2016年，美国纽约西奈山医学院Adolfo García-Sastre组分别在Journal of Virology和Cell Host & Microbe杂志上报道了登革热病毒和寨卡病毒在宿主细胞内抑制先天免疫的机理。他们的研究表明，寨卡病毒和登革热病毒利用它们的非结构性蛋白5（NS5）去特异性地结合人源STAT2蛋白，从而诱导STAT2蛋白在胞内的降解，达到关闭先天免疫系统和成功感染人体的目的【1,2】。不久后的2017年，美国加州大学河滨分校宋吉奎研究组联合海戎研究组在Nature Communications杂志上报道了寨卡病毒NS5蛋白的全长结构【3】。通过对于这一蛋白和其它同源蛋白的结构比较，研究人员归纳出黄病毒NS5可以形成“伸展型”与“紧密型”两种构象，具体的区别表现在NS5蛋白的两个结构域，甲基化转移酶（MTase）结构域和RNA依赖性RNA聚合酶 (RdRP) 结构域，以不同的方式堆积。尽管当时对这两种构象的生物学意义并不清楚，这一结果仍对进一步研究黄病毒NS5与宿主细胞内的STAT2蛋白之间的相互作用奠定了基础。

2020年8月10日，宋吉奎研究组联合海戎研究组、加州大学洛杉矶分校周正洪研究组以及Adolfo García-Sastre研究组（共同第一作者为王伯骁博士，Stephanine Thurmond，周康博士和Maria T. Sánchez-Aparicio博士）在Nature Structural & Molecular Biology杂志发表文章Structural basis for STAT2 suppression by flavivirus NS5。这篇文章通过结构与功能的细致分析，深入地阐述了黄病毒，尤其是寨卡病毒和登革热病毒如何切断人体天然免疫反应以促进感染。

在这项工作中，研究人员先后解析了寨卡病毒NS5的RdRP结构域与人源STAT2蛋白复合物的晶体结构，寨卡病毒NS5全长蛋白与人源STAT2蛋白复合物的冷冻电镜结构，和登革热病毒NS5全长蛋白与人源STAT2蛋白复合物的负染电镜结构。结构显示，寨卡病毒和登革热病毒的NS5蛋白都以伸展型构象与STAT2相互作用,从而找出了一种伸展型构象对NS5蛋白的生物学意义。这种构象使得NS5蛋白MTase和 RdRP两个结构域之间的缝隙充分暴露，从而“咬”住了STAT2蛋白的卷曲螺旋结构域（CCD）。这样的结合方式使得NS5和STAT2上的多个界面参与到了两个蛋白质的相互作用中。根据结构，研究人员们挑选了几个可能在NS5-STAT2相互作用中比较关键的氨基酸进行下一步的研究。首先，通过pull-down实验和免疫共沉淀实验（co-IP），研究人员们证明了这些氨基酸位点的确参与了NS5与STAT2的互作。而细胞定位实验显示出野生型的NS5可以与STAT2在胞浆内共定位，但含有相关位点突变的NS5则更多的进入核内，表明NS5和STAT2的相互作用对病毒蛋白在胞内的定位起到调节作用。其次，通过对NS5突变体在STAT2蛋白稳定性以及IFN-I应答的影响，研究人员们证实了NS5和STAT2相互作用对于STAT2在细胞内的降解和IFN-I应答抑制具有重要作用。此外，该团队在对该复合物结构分析中还发现，STAT2用于NS5结合的界面同样被用来与IRF9作用。果然，生化和细胞实验均表明NS5的确与IRF9竞争结合STAT2。这一结论为寨卡病毒NS5破坏IFN-I途径的机制提供了新的思路，即NS5可以阻止ISGF3复合物的形成以关闭先天免疫反应。最后，该团队还构建出重组的病毒毒株并引入破坏与STAT2结合的NS5突变。通过使用带有此类突变的病毒毒株感染可以分泌干扰素的人体细胞的实验表明，带有此类突变的毒株的感染能力相较于野生型寨卡病毒有了明显的下降。

图1

图2

综上所述，这一研究揭示了黄病毒家族中两位重要的成员（寨卡病毒和登革热病毒）NS5蛋白破坏人体天然免疫系统的分子机理，并在已有基础上发现了新的机制。复合物结构中所展示的NS5蛋白的相互作用界面有助于为药物研发（如PROTAC类药物）找到潜在的位点，而根据结构设计的病毒感染实验的结果则为日后疫苗研发提供了新的思路。

https://doi.org/10.1038/s41594-020-0472-y

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参考文献

1 Ashour, J., Laurent-Rolle, M., Shi, P. Y. & Garcia-Sastre, A. NS5 of dengue virus mediates STAT2 binding and degradation.J Virol83, 5408-5418, doi:10.1128/JVI.02188-08 (2009).

2 Grant, A. et al. Zika Virus Targets Human STAT2 to Inhibit Type I Interferon Signaling.Cell Host Microbe19, 882-890, doi:10.1016/j.chom.2016.05.009 (2016).

3Wang, B. et al. The structure of Zika virus NS5 reveals a conserved domain conformation.Nature communications8, 14763, doi:10.1038/ncomms14763 (2017).