蛋白质设施用户揭示EB病毒二次包被的分子机制
时间 : 2020-11-06     

2020年10月26日,国家蛋白质科学研究(上海)设施用户中山大学肿瘤防治中心高嵩团队与曾益新、曾木圣团队合作,在 Nature Communications杂志发表了题为 Structure of Epstein-Barr virus tegument protein complex BBRF2-BSRF1 reveals its potential role in viral envelopment 的研究论文。该研究首次报道了EBV间层蛋白BBRF2单体及BBRF2-BSRF1复合物的晶体结构,揭示了该间层蛋白复合物介导EBV二次包被(secondary envelopment)过程的可能机制。研究以此为基础设计了可以降低EBV阳性细胞中病毒基因组拷贝数的多肽,为进一步了解EBV乃至整个疱疹病毒家族的生理特性,以及抗EBV潜在手段的开发提供了重要基础。  

Epstein-Barr virus(EBV)属于疱疹病毒家族(Herpesviridae)成员,是一类含囊膜的双链DNA病毒。EBV的感染与多种肿瘤的发生有关,例如有“广东癌”之称的鼻咽癌、多种淋巴瘤(霍奇金淋巴瘤、儿童恶性肿瘤Burkitt淋巴瘤、NK/T淋巴瘤等)以及胃癌等等,每年引起约25万新发肿瘤病例。EBV病毒颗粒结构从外向内依次是囊膜(envelope)、间层(tegument)、核衣壳(nucleocapsid)。囊膜上附有糖蛋白,对感染宿主至关重要;间层中含有不均匀分布的间层蛋白,是疱疹病毒特有的结构;核衣壳是由多种衣壳蛋白形成的二十面体结构,其中包裹着病毒的基因组。目前EBV的核衣壳和多种糖蛋白的结构已经得到解析。然而在整个疱疹病毒范围内,间层蛋白的结构研究仍较为缺乏。因此,间层蛋白负责调节的疱疹病毒包被(envelopment)过程亦不清楚。  

EBV(以及其他疱疹病毒)的成熟需要在宿主细胞内进行两次包被过程。在细胞核中组装好的病毒核衣壳通过与细胞核膜作用完成第一次包被和去包被,并被运送至细胞质中。第二次包被是胞质中的核衣壳与膜性细胞器(如高尔基体、初级内体等)相互作用获得囊膜及其外层包膜。两次包被完成后,病毒的外层包膜与细胞质膜融合,并将含有囊膜的成熟病毒粒子释放到胞外。在这一系列的膜重塑过程 中,EBV的间层蛋白BSRF1可能参与了二次包被的过程,但其具体机制并不明确。  

高嵩团队首先解析了功能未知的EBV间层蛋白BBRF2的高分辨率晶体结构。BBRF2的结构特征是中央的β片层被10个螺旋包围的紧凑的球形结构,并含有一个亲水的核心(图1a)。这是一个不同于其他所有已知蛋白质结构的新型折叠。在探索BBRF2功能的过程中,团队发现BBRF2可以和EBV的衣壳蛋白MCP(核衣壳的主要成分)、以及间层蛋白BSRF1和BPLF1相互作用。其中,BSRF1如前所述与病的毒装配过程相关,而曾木圣团队等前期报道的EBV核衣壳冷冻电镜结构显示BPLF1与核衣壳有紧密且有规律的相互作用。Biacore和BLI实验表明BBRF2和BSRF1之间具有nM级别的高亲和力。课题组进一步解析了BBRF2-BSRF1的复合物晶体结构,发现BSRF1含有两股反向平行的α螺旋。BSRF1的这两股α螺旋通过疏水相互作用与来自BBRF2的两股α螺旋组成一个四螺旋束,形成了二者相互作用的主要界面 (图1b)。基于蛋白复合物的结构,团队筛选了BSRF1的衍生肽与BBRF2结合,发现其中一条多肽能与BSRF1竞争性地与BBRF2结合,并减少EBV阳性细胞中病毒基因组拷贝数。

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图1:BBRF2单体(a)和BBRF2-BSRF1复合物(b)的晶体结构。  

在进一步探索BBRF2-BSRF1的具体功能时,研究团队发现BSRF1主要定位于高尔基体上;单独表达的BBRF2在整个细胞内均有分布,但在与BSRF1共表达时几乎完全被招募至高尔基体。此外,BSRF1与EBV的数个糖蛋白均有明显的相互作用,并可共定位于高尔基体。联想到之前发现的BBRF2与MCP和BPLF1的相互作用,团队提出了EBV二次包被的分子机制模型:即锚定于宿主细胞高尔基体的BBRF2-BSRF1复合物产生类似于“粘性垫”的效应,将一次去包被后释放到胞质中的EBV核衣壳“粘”在富含EBV糖蛋白的高尔基体的表面,从而促进EBV的二次包被(图2)。此前对成熟EBV病毒颗粒的电镜分析表明核衣壳并非在囊膜正中,而是贴近囊膜的一侧。大量的间层蛋白和糖蛋白分布在核衣壳和囊膜相距较远的一侧,而相对的近侧则较为“空旷”。团队提出的BBRF2-BSRF1介导EBV二次包被的分子机制很好的解释了上述电镜观察结果。

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图2:EBV间层蛋白BBRF2-BSRF1复合物介导病毒二次包被的分子机制  

这一研究成果揭示了EBV间层蛋白BBRF2和BSRF1的结构和生物学功能,拓展了人们对疱疹病毒间层蛋白功能的认识和二次包被机制的了解,并探索了抑制疱疹病毒的新策略。  

国家蛋白质科学研究(上海)设施BL18U1线站及BL19U1线站,上海光源BL17U1线站工作人员为其X射线晶体学衍射数据收集提供了及时有效的支持。 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19259-x  
(蛋白质设施上海提供)