Cell | 范晓益/李万宇等解析西方马脑炎病毒流行兴衰过程中受体变化的分子基础

脑炎性甲病毒以不可预测的频率和规模在人类和马中引起脑炎暴发，对流行地区的公共健康造成威胁，包括西方马脑炎病毒（WEEV）、东方马脑炎病毒（EEEV）和委内瑞拉马脑炎病毒（VEEV）。WEEV天然在麻雀中循环，但可通过蚊子传播至哺乳动物。感染后，有些人可能没有症状或只有轻微不适，但也可能发展成严重脑炎，幸存者可能留下神经系统后遗症。20世纪三、四十年代，WEEV在北美大流行，特别是在夏季蚊子活跃时，导致数十万匹马感染，并扩散到人群中。到20世纪中期，WEEV疫情迅速减少，并在九十年代末后彻底从北美的马和人群中消失。这种现象与冠状病毒和禽流感等不断“浮现”的病毒相反，被称为“浸没”（submergence）。

2024年，哈佛医学院Jonathan Abraham团队在Nature发表题为Shifts in receptors during submergence of an encephalitic arbovirus的研究，揭示了WEEV在浸没过程中发生了受体识别的变化【1】。WEEV可识别原钙粘蛋白10（PCDH10）为受体。PCDH10胞外域由6个重复钙粘结构域（EC1–6）构成，WEEV结合最远端的EC1。令人意外的是，20世纪早期WEEV大流行时分离出的高毒力毒株，除了 PCDH10 外，还能够识别极低密度脂蛋白受体（VLDLR） 和 载脂蛋白 E 受体 2（ApoER2） 作为替代受体。然而，2005年从蚊子中分离出来的毒株已丧失识别以上人类受体的能力，但仍能识别麻雀的 PCDH10 。2023年11月，在浸没数十年后，WEEV突然在南美地区重新爆发，在阿根廷、乌拉圭、巴西等地引发大规模疫情，导致超过2500例马脑炎病例和200例以上人类感染。WEEV在北美浸没过程中究竟发生了哪些关键变化，导致其受体识别能力的改变？为何南美流行的WEEV品系，在北美品系浸没后，仍能再度引发疫情？南美WEEV毒株能够识别哪些受体？这些问题仍有待进一步研究和解答。

2025年4月4日，哈佛医学院Jonathan Abraham团队（共同一作为范晓益、李万宇）在Cell上发表题为Molecular basis for shifted receptor recognition by an encephalitic arbovirus的研究，通过冷冻电镜技术解析了WEEV与人类及鸟类受体的复合物结构，揭示了WEEV刺突蛋白进化如何影响病毒结合不同受体的能力，为疫情监测和药物设计提供了新靶点。

为研究 WEEV 刺突蛋白进化对受体结合的影响，研究团队解析了 1941 至 2005 年间分离的 WEEV 毒株病毒样颗粒（VLP）与人类 PCDH10、麻雀 PCDH10 和人类 VLDLR 结合的冷冻电镜结构。1958 年南美 WEEV CBA87 毒株VLP与人类 PCDH10 EC1的结构分析显示， PCDH10 EC1 插入由相邻的两个E2-E1 异源二聚体形成的裂隙，并广泛接触 E2 和 E1 蛋白。随后，研究团队解析了 2005 年北美 WEEV Imperial 181 毒株VLP与麻雀 PCDH10 结合的结构，发现不同WEEV毒株与人类和麻雀PCDH10的结合方式相似。分析表明，Imperial 181 的 E2 L149Q 突变破坏了其与人 PCDH10 结合的疏水相互作用，而该突变仅出现在 2005 年，导致 WEEV 丧失对人 PCDH10 的识别能力。进一步实验证实，在早期北美 WEEV 毒株中引入 L149Q 突变，确实会导致其无法结合人 PCDH10。尽管人类和麻雀 PCDH10 EC1 高度保守，但 3 处多态性残基可帮助麻雀 PCDH10 弥补 Imperial 181 结合缺陷。这表明，WEEV 对鸟类宿主的 PCDH10 适应性更强，能更好地容纳病毒突变，而对人类 PCDH10 仅是偶然感染。

研究团队解析了 1941 年北美分离的高毒力 WEEV McMillan 毒株VLP与 VLDLR 结合的冷冻电镜结构。结果显示，McMillan 主要与 VLDLR 的配体结合域（LBD）相互作用，其中 LA1 和 LA2 结构域嵌入由两个相邻的病毒刺突蛋白 E2-E1 形成的裂隙。VLDLR 结合界面与 PCDH10 高度重叠，病毒通过 E1 K227 和 E2 K190 赖氨酸与 LA 结构域中的天冬氨酸簇形成多个盐桥，同时发生疏水相互作用，模拟了VLDLR的天然配体结合方式。进一步分析发现，早期 WEEV 毒株的 E2 E181K 突变增强了其与 VLDLR 结合，但后期毒株因缺乏 K181 失去了这一能力。此外，研究还发现同时期的另一高毒力毒株采用了完全不同的 VLDLR 结合模式，表明 WEEV 刺突蛋白可能存在多种受体识别机制。

基于结构研究，研究团队设计了可溶性 VLDLR LA(1–2)-Fc 融合蛋白，该蛋白能阻断 PCDH10 结合，并在动物实验中保护 80% 小鼠免受致死剂量 McMillan 毒株的攻击。此外，该蛋白还能有效中和EEEV，显示出广谱抗病毒潜力。同时，PCDH10 EC1-Fc 融合蛋白也能中和 McMillan 毒株，为开发广谱抗病毒药物提供了新思路。

进一步实验中，研究者利用单循环甲病毒报告颗粒平台，在 Imperial 181 的 E2 糖蛋白中引入突变，恢复其对哺乳动物 PCDH10、VLDLR 和 ApoER2 的结合能力。结果显示，野生型 Imperial 181 不能感染神经元，而携带特定突变的病毒颗粒可成功感染原代小鼠皮质神经元。这表明，WEEV 受体识别的巨大变化，仅需一到三个 E2 突变即可实现。此外，研究团队构建了基于 E2 关键位点（如 L149 和 K181）的受体偏好预测模型，可快速评估新发毒株的宿主适应性。对 2023 年重新出现的 WEEV 毒株分析表明，这些毒株能识别人、马和麻雀的 PCDH10，但无法识别 VLDLR 或 ApoER2。序列比对显示，南美流行品系因保留 E2 L149，仍具备结合哺乳动物 PCDH10 的能力，可能构成公共健康威胁。

总体而言，本研究系统探讨了 WEEV 与人类及鸟类受体的相互作用，识别了决定受体结合的关键 E2-E1 刺突蛋白位点。研究揭示了 WEEV 受体识别的动态演变机制，并提供了从结构解析到潜在治疗策略的完整框架，为理解虫媒病毒的宿主适应性及其进化提供了重要范式。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.029

制版人： 十一

参考文献

1. Li , W., Plante, J.A., Lin, C. et al. Shifts in receptors during submergence of an encephalitic arbovirus.Nature632, 614–621 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07740-2

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

会议资讯

近期直播推荐