Cell Host & Microbe | 商鹏程等揭示NRP1作为非囊膜病毒入侵受体的新机制

Neuropilins (NRPs) 包括NRP1和NRP2是广泛地在心血管、神经和免疫系统中表达的受体。由多种配体诱导的信号转导通路让NRPs能够发挥重要的生理作用。研究最为充分的两种配体是血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和 semaphorins （SEMAs）。近年来的研究显示NRPs能作为病毒受体广泛地辅助多种囊膜病毒入侵。例如，SARS-CoV2和包括EBV，KSHV，hCMV在内的多种疱疹病毒利用NRPs作为入侵受体。NRPs和生理配体的结合符合所谓的末端规则（CendR），即NRP b1结构域结合配体的C末端（R/KXXR/K motif）。NRPs与病毒的互作机理并不总是遵循此规则而呈现出多态性，但NRP和囊膜病毒的结合总与入侵过程中的膜融合相关。在多系统中的广泛表达使得NRPs在理论上能够在病毒的体内扩散和组织嗜性等方面发挥多重作用。然而NRPs在心血管系统胚胎发育中的关键性作用使得相关基因敲除小鼠模型无法构建，因此NRPs作为入侵受体在病毒致病机理中的作用难以得到充分验证。

2024年5月9日，来自美国匹兹堡大学医学院儿科部（Department of Pediatrics, University of Pittsburgh School of Medicine）的Terence Dermody实验室在Cell Host & Microbe上发表了研究论文NRP1 is a receptor for mammalian orthoreovirus engaged by distinct capsid subunits。

在此项研究中，作者鉴定了NRP1作为非囊膜病毒-哺乳动物正呼肠孤病毒（mammalian orthoreovirus，简称呼肠孤病毒reovirus）的一个入侵受体并且揭示了NRP1在呼肠孤病毒致病机理中的作用。呼肠孤病毒粒子具备一个由八种病毒蛋白构成的双层衣壳和十个双链RNA基因组片段。呼肠孤病毒广泛地感染包括人在内的哺乳动物，致病力基本局限于幼年哺乳动物中。近年来的Dermody实验室及其合作者研究发现呼肠孤病毒感染与一种常见的人肠道免疫失调疾病（Celiac disease）的发生密切相关，并且建立了一种由呼肠孤病毒诱导的该疾病的成年小鼠研究模型。在研究呼肠孤病毒致病机理的新生小鼠感染模型中，病毒首先感染肠道，随后扩散至包括中枢神经系统（CNS）在内的各个组织。病毒的扩散途径（dissemination routes）以及在CNS内的组织嗜性和引发的疾病呈现出一种非常典型的血清学依赖的模式。Dermody实验室的研究显示呼肠孤病毒的入侵协调了由不同衣壳蛋白和受体们组成的多对相互作用。Dermody实验室在过往研究中鉴定出多种在呼肠孤病毒致病过程的不同步骤中发挥作用的受体，但对于支持病毒在肠道和CNS内感染的受体尚不清楚。经过包括Dermody实验室在内的病毒学家们多年不懈的研究，目前对于呼肠孤病毒的致病机理和复制机制逐渐有了一定程度的认知。呼肠孤病毒已经被构建成为了一个具备高可操作性以及在基因和性状方面可追踪性的系统工具用于研究病毒复制和治病机理。尤其在非囊膜病毒入侵机制方面，对呼肠孤病毒的研究推动了对病毒吸附、脱壳和膜穿机制的进展。

在Dermody实验室之前进行的一次CRISPR knockout筛选中，NRP1是首要的呼肠孤病毒复制关键候选基因。Dermody实验室的Dr. Pengcheng Shang（商鹏程博士）验证了murine NRP1 （mNRP1） 是呼肠孤病毒的入侵受体，并且在病毒致病机理中发挥显著作用。首先，mNRP1的表达能够有效促进呼肠孤病毒的吸附和感染，而human NRP1 (hNRP1) 无法发挥呼肠孤病毒受体的作用。在研究呼肠孤病毒和NRP1的互作中，Dr. Shang及其来自比利时Université catholique de Louvain大学的合作者Dr. David Alsteens团队合作，使用了原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM）探究了研究了病毒和NRP1结合过程中的包括亲和力（affinity）、亲合力（avidity）和种属特异性在内的生物物理特性。AFM 是一种先进的超敏感检测手段，能够在重组受体蛋白包被的模型表面（model surface）或受体表达的活细胞表面上来捕捉单个病毒分子和受体结合过程中的多次吸附事件（adhesion events）。Alsteens团队与Dermody实验室具有长期合作关系，Alsteens团队使用此手段在纳米层次条件下解析了呼肠孤病毒和多种受体的相互作用。然后Dr. Shang通过mNRP1和hNRP1结构域互换和结构域删除确定了调控与呼肠孤病毒结合的受体关键区域。随后Dr. Shang又通过基因重配（genetic reassortment）和重组衣壳蛋白确定了来自不同衣壳亚单位的两个病毒蛋白是结合NRP1的配体。最后，通过构建NRP1结合缺陷变种病毒，Dr. Shang绕过了NRP1基因敲除小鼠模型的构建困难来研究NRP1在病毒致病机理中的作用。变种病毒在CNS内复制效率、神经毒力、以及通过血液和神经系统的扩散效率的等方面相比于野生型病毒都有显著的减弱，从而证明了NRP1在调节呼肠孤病毒致病机理中的多重作用。

总而言之，该研究鉴定出NRP1作为呼肠孤病毒受体，证明了其在病毒入侵和致病机理中的作用。该研究首次证明了NRPs能够作为非囊膜病毒的入侵受体。NRP1和呼肠孤病毒的相互作用增加了NRPs-配体结合的原理的多样性，代表了一种罕见的病毒-受体的结合模式。同时该研究建立了一个以呼肠孤病毒为模型来研究NRPs作为受体在病毒入侵和致病机理的作用，为其他使用NRPs作为受体的病毒的研究提供了广泛的启示。

该研究主要完成人Dr. Pengcheng Shang（商鹏程博士）博士就读于美国堪萨斯州立大学（Kansas State University），毕业后以博后身份加入Dermody实验室从事病毒受体研究，目前已经转为research instructor。Dr. Shang博后期间总共鉴定出两个呼肠孤病毒受体，有关第一个受体的研究已经发表在Nature Communications。Dr. Shang今年下半年回国开始建立自己的实验室，目前正在和国内几家研究单位联系，尚未完全确定下来入职单位。未来准备继续从事病毒学基础研究，主要研究方向：(1) molecular basis of bat reovirus cross-species transmission; (2) mechanism regulating reovirus endosomal membrane penetration; (3) host restriction mechanism for the endosomal membrane penetration of nonenveloped viruses。目前准备招收博士和硕士研究生以及研究助理。有意向报考且吃苦耐劳、不愿意躺平的同学请联系Dr. Shang邮箱。

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt

https://doi.org/10.1016/j.chom.2024.04.014

编辑：Chem LT