遏制“萌芽”病毒

“麻疹的传染性是任何已知病毒都无法比拟的。如果一个麻疹患者在一个有100名未接种疫苗的人的房间里咳嗽，大约有90人会被感染，”Michael Norris博士说，他曾是拉霍亚免疫学研究所(LJI)的博士后助理，现在是多伦多大学的助理教授。“尼帕病毒的传染性不那么强，但它的致命程度令人难以置信，40%到90%的感染会导致死亡。”

Norris补充说:“想象一下，如果出现了一种副粘病毒，它的传染性像麻疹一样高，致命性像尼帕病毒一样强。”

这种情景不难想象。事实上，2011年的电影《传染病》就是基于这种想象中的副粘病毒。

现在，Norris和一个国际合作团队首次发表了对麻疹和尼帕病毒生命周期中的一个关键阶段的研究。他们的新研究将作为即将出版的《Science Advances》杂志的封面故事发表，揭示了未来的疗法可能会如何阻止这些病毒的发展。

“这项工作解决了一个长期存在的谜团:病毒是如何组装自己的，”LJI教授Erica Ollmann Saphire博士说，他是普渡大学教授Robert Stahelin博士的共同资深作者。“我们知道病毒的许多片段在细胞膜上聚集在一起，但我们不知道启动这种不可逆组装过程的触发器是什么。”

Stahelin说:“这项研究的成功在于确定了副粘病毒如何能够利用宿主细胞脂质进行病毒传播。这项工作将为未来的药物发现工作提供信息。”

组装一个副粘病毒

研究人员使用了几种成像技术，包括x射线晶体学和电子显微镜，来捕捉病毒组装的过程。

在病毒组装过程中，关键蛋白质和遗传物质迅速到达被感染宿主细胞膜上的特定区域。一种特殊的病毒蛋白质，称为“基质”蛋白质，聚集在一起形成一种对抗细胞膜内部的晶格。基质蛋白是病毒组装过程的驱动因素。Norris称它们为“野战元帅”，负责收集和引导形成新病毒所需的其他蛋白质。基质蛋白也赋予病毒形状。

随着病毒组装的继续，基质蛋白的晶格开始向外推膜形成一个“芽”，并招募其他病毒蛋白到这个位置。一旦芽拥有了所有需要的成分，它就会从母细胞分裂出来，形成一种新的病毒，然后感染新的宿主细胞。

研究人员希望通过更好地了解病毒组装，他们可以设计出中断这一过程的疗法。这种方法有希望;药物Lenacapavir的目标是HIV的组装过程，目前正在临床试验中，Norris说，有可能使用相同的策略来阻止副粘病毒。Norris说:“这种HIV疗法证明了以病毒组装为目标是一种可行的药物开发策略。”

科学家只需要对副粘病毒的组装过程有一个清晰的认识。研究人员面临的挑战是试图看到基质蛋白的作用。

捕获病毒装配

Norris和他的同事们检测了麻疹病毒和尼帕病毒的病毒组装。他们的分析显示了两个基质蛋白是如何以一种拥抱的方式聚集在一起，形成双面“二聚体”结构的。研究人员证明，通过阻止这种二聚体的形成来阻止这种“拥抱”也会阻止病毒的组装——但这并不奇怪。

研究人员真的需要知道这些二聚体在萌芽过程中是如何与其他结构相互作用的。他们展示了二聚体的拥抱漂浮在细胞膜的内部，有点像与细胞膜撞头。

在普渡大学Stahelin实验室的研究中，研究小组发现，基质蛋白特异性地结合在宿主细胞膜上的脂质分子pI(4,5)p2上。这种相互作用将基质蛋白锚定在宿主细胞膜表面，并在细胞膜上的特定位置为病毒组装提供会合点。Norris和他的同事们用x射线晶体学详细地捕捉到了这种相互作用。

然后出现了一个巨大的结构性惊喜。研究小组发现，尼帕病毒基质蛋白实际上改变了它们的结构，为pI(4,5)p2打开了一个脂质结合袋。

Norris说:“这是研究中一个非常令人兴奋的方面。”他强调，这种口袋在膜结合之前并不存在，如果没有本次研究中捕获的结构，这种口袋也不会被发现。这个口袋的发现为开发组装过程的抑制剂提供了一个全新的目标。

pI(4,5)p2也被证明是触发基质蛋白二聚体相互结合并在宿主细胞膜内表面形成晶格的秘密成分。当基质蛋白改变其结构打开pI(4,5)p2口袋时，它们也会采用一种驱动晶格组装的形状。

基质蛋白结构的这种变化也会使细胞膜发生弯曲。在pI(4,5)p2结合之前，拥抱中的两个基质蛋白之间的空间呈凹碗状，两侧呈一定角度。在pI(4,5)p2与基质蛋白结合后，这些有角度的边变平，使碗状膜转变为平板状，并迫使膜向上弯曲。细胞膜的柔软曲线突然出现，开始形成新的芽，最终形成新的病毒。

科学家们从这些结构中学到了很多。Saphire说:“我们不知道当这个过程被触发时分子会发生多大的变化，也不知道当它们聚合在一起时结构会是什么样子。”

设计广泛的治疗方案

麻疹仍然是世界各地的主要杀手。印度和孟加拉国每年都要应对尼帕病毒的爆发。这些病毒不会消失，我们需要有效的疗法来阻止疫情的爆发。

广泛的副粘病毒治疗也可以保护牲畜免受疾病的侵袭，并确保粮食安全。家禽中的新城疫是由副粘病毒感染引起的，这种病毒甚至可以在症状被发现之前消灭整个家禽。2018-2020年，加州爆发了新城疫病，导致120万只家禽被扑杀。

这项新研究显示了针对多种病毒的病毒组装的泛副粘病毒治疗的潜力。Norris指出，虽然麻疹病毒和尼帕病毒的基因组非常不同，但麻疹病毒和尼帕病毒基质蛋白看起来几乎相同。

Norris说:“因为这些基质蛋白结构高度保守，我们可以潜在地针对一种病毒，并有一种抑制剂可以针对这个家族中的所有其他病毒。”

Norris能够开始寻找基质蛋白抑制剂，要感谢LJI的Tullie和Rickey家族SpARK免疫学创新奖的资助。这笔资金使他能够迅速缩小740万种候选药物的范围，确定大约100种将进行进一步测试。

接下来的步骤是更好地理解构成基质晶格的分子相互作用，以及更好地理解基质蛋白在组装过程中如何招募和与其他病毒蛋白相互作用。

Norris说:“我们正在考虑利用这项工作来设计病毒组装的广谱抑制剂。”

Michael J. Norris, Monica L. Husby, William B. Kiosses, Jieyun Yin, Roopashi Saxena, Linda J. Rennick, Anja Heiner, Stephanie S. Harkins, Rudramani pokhrel, Sharon L. Schendel, Kathryn M. Hastie, Sara Landeras-Bueno, Zhe Li Salie, Benhur Lee, prem p. Chapagain, Andrea Maisner, W. paul Duprex, Robert V. Stahelin, Erica Ollmann Saphire. Measles and Nipah virus assembly: Specific lipid binding drives matrix polymerization. Science Advances, 2022; 8 (29)