如何看待中国科学院探索出埃博拉病毒进入细胞方式的研究？ Vigorous Cooler，轴，乱，顽 终于有空来回答这个问题了。 关于了解高院士这篇文章的意义，从知乎受众（科普）的角度来说，需要前置一些信息，但是说多了篇幅就太大了，所以只简单介绍一下。 以下概念自行搜索：脂质双分子层；细胞膜；蛋白质；氨基酸； 院士《Cell》文章的名称叫“埃博拉病毒糖蛋白结合内吞体受体 NPC1 的分子机制”。关键词抽出来就是“病毒糖蛋白结合受体的分子机制”。《生物化学》里最重要的一条守则就是“结构决定功能”，同时蛋白质又是生命活动的主要体现者，所以也可以说蛋白质是生命活动的主要体现者。 在院士《Cell》文章之前，关于埃博拉病毒进入细胞（术语叫病毒入胞，virus entry）的研究已经很多了。从发现细胞表面有多种的病毒结合受体，比如 C 型凝集素的 DC-SIGN（凝集素 / Lectin 是一种专门结合糖类分子的蛋白）等等，但是后来研究发现这些结合受体只能将病毒粘附在细胞的表面，却不能诱导病毒进入细胞（所以叫结合受体）。再后来就有科学家发现了在细胞吞下去病毒的内吞泡泡里，还有一种蛋白，也就是 NPC1 才是真正介导了病毒穿破这层膜进入细胞的直接受体。 好了，那么回过头来，院士的文章解决的重要科学问题就是，（1）埃博拉病毒表面的糖蛋白是怎么和 NPC1 结合的？（2）这种结合又是怎么导致病毒能够穿膜而入进入细胞的？ 要说明白这个问题，需要了解一下病毒进入细胞的几种不同的方式。 下图说明了三种情况（埃博拉是第二种）： 【1】第一种是有包膜的病毒（病毒外面有一层像细胞膜样的双层脂质膜），病毒结合细胞表面的病毒受体后，通过病毒的膜和细胞膜直接融合导致病毒的核心进入细胞； 【2】第二种是有包膜的病毒结合细胞表面受体之后，细胞膜内陷，内陷的机制有很多就不做介绍了，总之相当于细胞通过把细胞膜凹成一个洞把病毒连同病毒的外膜整个吞进来了。那这个泡泡（内吞泡或内吞体）是不是相当于有两层膜（病毒膜和内吞的细胞膜）？这个时候，细胞本身的机制决定了内吞泡上的质子泵会不断的将细胞质里面的氢离子泵入两层膜之间，那这个时候两层膜之间的 pH 值就会稳步下降，根据 pH 值的不同，内吞体可以分为早期内吞体和晚期内吞体，晚期内吞体最后会和细胞里的溶酶体融合，大家知道这是像巨噬细胞消灭外来生物的一种手段，但是道高一尺....啊。病毒的糖蛋白一般都是一种亚稳态蛋白，也就是说一定条件下（通常就是不同的 pH 值），病毒的糖蛋白会最终形成一种更稳定的形式。这种形式的病毒糖蛋白在合适受体存在的情况下可以介导病毒膜和细胞膜 / 内体膜的融合。不过不同的病毒糖蛋白变成亚稳态的 pH 是不一样的，所以有的病毒在早期内吞体穿膜，有的在晚期，还有的甚至在溶酶体和内吞体融合之后才破膜而入。 【3】第三种是没有包膜的病毒结合细胞表面受体之后，细胞膜内陷把病毒吞进来，不过病毒通过在内吞体膜上打了个孔，把病毒的遗传物质通过孔洞输送到了细胞里面。 其实病毒入胞的形式还有很多种，找到这么一张图，简单解释一下。 上图的第二种情况里面需要提一点的是膜融合的情况，可以看下图：a 表示的是上下两个膜，相互之间可能有蛋白（粉色）之间的相互作用；b 就已经在局部有部分膜之间的距离被明显的缩短了；c 是 b 的细节，可以看到两个膜的脂质双分子层的磷脂已经交融在一块了，这个状态叫做 hemifusion，也就是半融合；d 就是已经开始形成相当于两个脂质膜的圈圈中间有一个脂质膜，这种情况一般会马上进行到 e，也就是断开，这样两个膜之间就形成了一个通道；但是如果把相关病毒的融合蛋白进行突变，那膜的融合就会一直维持 d 的这种状态，还是比较好玩的；f 是融合完成后的最终形态。 NPC1 是一个多次跨膜的蛋白，在内吞体里面（lumen）的结构域有三个：A、C 和 I。其中 A 的结构几年前已经有人解析出来了。这一次院士解析的是C 结构域。 而埃博拉病毒的糖蛋白 GP，类似于典型的 1 型膜融合蛋白（这个家族还有流感病毒的 HA，HIV 的 gp120 等），之前研究已经发现了 GP 可被弗林蛋白酶（furin）酶切为 GP1 和 GP2 两个亚单位。但是研究也发现酶切形成的 GP1 和 GP2 还不能够介导病毒穿膜而入（流感的 HA 在胰蛋白酶切割后就可以介导病毒膜融合了）。这说明 GP1 和 GP2 上可能还有一种帽子一样的结构阻碍了和病毒穿膜受体之间的结合。后来发现 GP1 还可被组织蛋白酶 L 和 B 酶切，从 130kDa 大小变为 19kDa 大小。这样 GP 才算被最终激活【这种结构的 GP 又叫做 GPcl（19 kDa GP1 加上 GP2）】才能结合 NPC1 进而诱导病毒穿膜入胞。 说了这么多，也就是想说明前期的研究已经解决哪些问题，又有什么未解决——GPcl 是怎么结合 NPC1 的，也就是具体的结构是什么样子的，不知道，高院士解决的就是这个问题。 后边结构的信息，我就简单介绍几句了， 首先是解析了 NPC1 C 结构域的结构，可以看到，有两个伸出来的环（loop1 和 loop2），这两环都是疏水性的。 然后发现 NPC1-C 可以和 GPcl 结合（B、E），不能结合去掉 mucin 结构域的 GP（A、D）（GP-ectoΔmucin protein，这个蛋白不能被切割，所以不能形成 GP1 和 GP2），所以 NPC1-C 结合 GPcl 是特异性的，虽然结合效率相比其他病毒（MERS-CoV、SARS-CoV）结合受体的水平来说有点低。 最后的重头戏就是 NPC1-C 和 GPcl 是怎么结合的。 A 里面，灰色的是会被组织蛋白酶切割后丢掉的帽子。黄色的是 GP2，绿色是 19kDa 的 GP1，帽子丢掉以后，GP1 里面的一个疏水性的洞洞被暴露出来，这个洞洞是由 α1 螺旋和几个β折叠（ β4, β7, β9, β10 等）形成的。NPC1-C 的 loop1 和 loop2 就是插到这个洞洞里面的。C 和 D 就是这个界面上 loop1、loop2 和形成洞洞的 α1 螺旋和β折叠上最最重要的氨基酸了，院士最后做了这些氨基酸的突变，进一步证明了这个相互作用界面（interface）的作用，图画标示了 interface，不会鼠写，请无视。 GP 的帽子被割掉之前，GP1 上的洞洞里面也不算是空的，因为帽子上有一段是插进去的，有两个输水性的苯环侧链（A）。NPC1-C 的 loop 上有 4 个苯环，疏水作用力更强，而且 503 位的苯丙氨酸 F 可以插的很深（B）。C 讲的是针对马尔堡病毒的一个中和抗体 MR78 结合的也是这个洞洞的结构域，所以可以根据这个原理可以用来设计埃博拉病毒的疫苗和抑制病毒入胞的短肽。 文章最后总结起来就是首页上的这么一张图—— NPC1 的 C 结构域有两个伸出来的环，这两个环一个可以插入埃博拉糖蛋白 GP 去掉帽子之后形成的 GPcl 的洞洞里，一个可以在洞口相互结合。而这种结合就导致了病毒可以通过后续的膜融合进入细胞。形象的说就是院士自己形容的那样： 高福把它简单形象地比喻为，一把“钥匙”(受体分子)插入一把“锁”(病毒糖蛋白)。“我们还解析出了‘锁’的结构，如此，预示着人们可以设计小分子或抑制剂来堵住‘锁孔’，实现阻断埃博拉病毒入侵过程。”高福说。 完 Vigorous Cooler 于 20160201 凌晨 知乎产品以外转载需获得作者授权 参考文献： DOI: 10.1146/annurev-cellbio-101512-122422 doi:10.1016/j.cell.2015.12.044 阅读原文
