Cell：科學家首次可視化觀察流感病毒入侵靶細胞過程

導 讀

單分子科學作為一門新興邊緣學科，給生命科學領域研究帶來了蓬勃生機，使人們能更深刻地了解複雜的微觀生命過程。流感病毒的包膜蛋白HA長期以來一直是研究其他病毒融合機制的模型。近日，自美國塔夫茨大學醫學院、西奈山伊坎醫學院、德國圖賓根大學和美因茨大學的研究人員利用單分子熒光共振能量轉移技術結合假病毒顆粒技術，首次直接地可視化觀察流感病毒的表面蛋白髮生的實時結構變化，這些變化可能有助這種病毒與靶細胞融合，入侵它們的內部並劫持它們的功能。相關研究結果於2018年6月28日在線發表在Cell期刊上，論文題目為「Direct Visualization of the Conformational Dynamicsof Single Influenza Hemagglutinin Trimers」。論文通信作者為塔夫茨大學醫學院的James Munro博士和Dibyendu Kumar Das博士。

Fig. 1. Graph abstract

研究背景

長期以來，流感病毒的包膜蛋白HA一直是研究其他病毒的融合機制的模型：病毒表面的包膜蛋白必須將它們附著到細胞膜上，隨後它們與細胞融合在一起。這種融合讓病毒的內含物釋放到細胞中，並進一步接管細胞的內部功能並進行增殖。

結果速覽

為了方便實驗，研究者利用基於慢病毒載體系統構建了表面帶有流感病毒HA的假病毒顆粒開展了研究。通過使用先進的成像技術---用於測量經過熒光染料標記的單個分子內的納米距離的單分子熒光共振能量轉移（single-molecule F?rster resonance energy transfer, smFRET），隨後對獲得的數據進行計算分析，研究人員首次對尋找細胞靶標的單個HA分子的形狀變化進行實時可視化觀察。

研究發現，位於流感病毒表面上的單個血凝素（hemagglutinin, HA）分子解摺疊並向靶細胞延伸，隨後重新摺疊，這個過程每秒會發生5至10次。該發現表明流感病毒要比之前認為的發生更大的動態變化，這可能有助於開發更加有效的疫苗和更好地理解埃博拉病毒、HIV和非典型肺炎冠狀病毒（SARS-CoV）等其他的病毒。

Figure 2. smFRET Assay for Direct Visualizationof HA Conformational Dynamics

作者如是說

文章的通訊作者Munro說道，「包膜蛋白被描述成老式的捕鼠器，處於靜態的彈簧加壓狀態，等待著與靶細胞發生相互作用的觸發。一旦受到觸發，它們在三維結構上就會經歷巨大的變化，從而使得流感病毒與細胞發生融合併入侵靶細胞內部。然而，儘管之前的研究已給出一些提示，但是這個過程並未直接被人們觀察到，而且人們廣泛地認為這種病毒表面上的每個包膜蛋白分子經觸發後僅有一次機會附著到靶細胞表面上。」

研究發現了HA分子是多功能的且發生動態變化的，這與之前假設的模型相差甚遠。Munro說，「這種病毒分子能夠自我重構，然後逆轉這種自我重構，並多次快速地重複這個過程。這個事實改變了我們看待病毒入侵的方式。」

這種可逆性可能以多種方式讓流感病毒受益，包括在沒有合適靶標存在的情況下阻止過早激活，讓眾多病毒分子能夠保持同步以便增強入侵效率，並干擾細胞中的識別病毒的形狀來抵抗它入侵的保護性抗體。

Munro說，「表面蛋白是免疫系統『觀察到』的這種病毒中的唯一部分。因此，幾乎所有已知抑制病毒增殖的抗體都靶向這些蛋白。我們問道，『免疫系統識別什麼結構才能製造出更加有效的抗體？』」

還需開展進一步的研究來證實這種蛋白動態變化是否也存在於流感病毒之外的其他病毒中，而且利用沒有感染性的埃博拉病毒顆粒進行的可視化觀察實驗正在Munro實驗室中開展。

ABSTRACT

Influenza hemagglutinin (HA) is the canonical type Iviral envelope glycoprotein and provides a template for the membrane-fusion mechanisms of numerous viruses. The current model of HA-mediated membrane fusion describes a static 「spring-loaded」 fusion domain (HA2) at neutral pH. Acidic pH triggers a singular irreversible conformational rearrangement in HA2 that fuses viral and cellular membranes. Here, using single-molecule F?rsterresonance energy transfer (smFRET)-imaging, we directly visualized pH-triggered conformational changes of HA trimers on the viral surface. Our analyses reveal reversible exchange between the pre-fusion and two intermediate conformations of HA2. Acidification of pH and receptor binding shifts the dynamic equilibrium of HA2 in favor of forward progression along the membrane-fusion reaction coordinate. Interaction with the target membrane promotes irreversible transition of HA2 to the post-fusion state. The reversibility of HA2 conformation may protect against transition to the post-fusion state prior to arrival at the target membrane.

Highlight

1.Influenza HA spontaneously samples conformationsrelated to membrane fusion

2.Interaction with the receptor allosterically inducesfusion peptide movement

3.pH, receptor binding, and interaction with a targetmembrane regulate HA dynamics

4.HA can return to the pre-fusion conformation aftertransient exposure to acidic pH

參考文獻：

1.Dibyendu Kumar Das, Ramesh Govindan, IvanaNiki?-Spiegel, et al.Direct Visualization of the Conformational Dynamics ofSingle Influenza Hemagglutinin Trimers.Cell, 28 Jun 2018.

doi:10.1016/j.cell.2018.05.050

2. 細胞：Cell：首次可視化觀察流感病毒入侵靶細胞過程

本期編輯：Annabella

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