Science:中外学者揭示靶向 NS1 的黄病毒广谱保护性抗体作用机制

来源: 生物360 / 作者: 2021-01-11
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    黄病毒是一类主要通过蚊媒传播的病毒,包括有登革病毒(DENV)、西尼罗病毒(WNV)及寨卡病毒(ZIKV)等,在热带、亚热带地区广泛流行,危害极大。目前针对大多数黄病毒,还没有有效的抗病毒药物和疫苗。开发广谱保护性疗法和疫苗成为黄病毒防控领域一个关键而仍未实现的目标。之前的黄病毒治疗靶标和疫苗设计主要聚焦在病毒囊膜表面的 E 蛋白,如高福院士团队于 2016 年解析了靶向 E 蛋白且能交叉保护寨卡病毒的单克隆抗体 2A10G6 的作用机制 1,并从中国寨卡康复病人体内鉴定出高效、特异的靶向寨卡病毒 E 蛋白的单克隆抗体 2。然而,E 蛋白诱导的抗体保护范围有限,更为重要的是,登革病毒感染以及疫苗研发过程中,发现 E 蛋白免疫会诱导产生有交叉反应性但中和能力差的抗体,当机体感染不同类型登革病毒时,这些抗体会产生抗体依赖增强(ADE)效应,反而会导致更加严重的感染。这对开发安全有效的广谱疫苗造成了重大挑战。 2021 年 1 月 8 日,中国科学院微生物研究所 / 中国科学院北京生命科学研究院高福院士研究组、中国科学院微生物所施一研究组与澳大利亚昆士兰大学的 Paul R. Young 及 Daniel Watterson 研究组合作,在 Science 发表了题为 A broadly protective antibody that targets the flavivirus NS1 protein 的研究论文,发现了一株对多种黄病毒都有保护效果的单克隆抗体 1G5.3,并首次揭示了 NS1 广谱保护性抗体的作用机制,指出黄病毒非结构蛋白 NS1 可以作为通用疫苗设计的新靶点,有效避免 ADE 效应。

寨卡病毒等黄病毒共编码 10 种蛋白,其中非结构蛋白 NS1 是病毒唯一分泌并与宿主相互作用的重要蛋白,在病毒复制、致病及免疫逃逸中起着关键作用。NS1 在细胞内形成同源二聚体,与胞内膜系统的脂类结合,参与病毒复制,同时 NS1 还可形成由 3 个二聚体组成的同源六聚体,以可溶性形式分泌于胞外,与宿主免疫系统及其它宿主因子相互作用,帮助病毒免疫逃逸以及加强致病性。2016-2017 年,高福院士和施一研究员团队率先解析了寨卡病毒 NS1 的 C 端分子结构,揭示了不同黄病毒 NS1 存在不同的表面电荷分布 3,随后解析了寨卡病毒 NS1 全长蛋白的二聚体结构,发现了 NS1 膜结合的关键区域 4,从结构上对 NS1 有了更深入的认识。合作者澳大利亚昆士兰大学的 Paul R. Young 研究组在 2015 年即发现 DENV NS1 是 DENV 的关键致病因子,可以通过激活 TLR4 通路破坏血管内皮细胞层的完整性,可能跟登革患者的血管渗漏症状有关 5。值得注意的是,NS1 由感染细胞分泌,并在感染患者的血液中大量存在,因此靶向 NS1 的抗体可以通过抑制 NS1 的功能起到抗病毒的效果。以往研究发现,在多种黄病毒感染模型中,接种了 NS1 疫苗的小鼠可以免受病毒的致命攻击。重要的是,NS1 蛋白与 E 蛋白不同,不位于病毒表面,因此 NS1 抗体带来的 ADE 风险很低。尽管这些特征表明 NS1 是很有希望的疫苗和治疗性抗体靶点,但广谱性 NS1 抗体介导保护的范围和作用机制仍不清楚。

     在这些研究基础上,研究者希望能找到靶向 NS1 的广谱干预手段,从而达到广谱抗多种黄病毒的目标。研究人员筛选到一株单克隆抗体 1G5.3,发现其对 DENV 及 ZIKV 的 NS1 都有结合。通过结构生物学手段,分别解析了 1G5.3 跟 DENV-2 及 ZIKV NS1 的复合物结构,发现其结合在 NS1 C 端 β梯形结构域的顶端,因此既能结合 NS1 二聚体,也能结合分泌到细胞外的 NS1 六聚体。

     进一步研究发现 1G5.3 对不同黄病毒如 WNV、日本脑炎病毒(JEV)、黄热病毒(YFV)及存在潜在威胁的 Usutu 病毒(USUV)等的 NS1 都有结合,结合表位非常保守。

  随后,在多种细胞模型上发现抗体 1G5.3 可抑制多种黄病毒 NS1 诱导的内皮细胞层通透,而在小鼠模型上,证明抗体 1G5.3 可有效降低病毒滴度及血清中的 NS1 含量,有效抑制 DENV 感染诱导的系统性血管渗漏,且该阻断机制不依赖于 Fc 介导的效应功能。

   该抗体在动物保护实验上也展示出非常好的治疗效果,对 DENV、ZIKV 及 WNV 感染都有很好的治疗效果,可降低病毒血症水平,并显著提高存活率。其治疗效果,与已报道的靶向 E 蛋白的一株 DENV 特异性抗体 4E11 在 DENV 感染模型上效果相当,但其广谱性远优于目前靶向 E 蛋白的抗体。  

此项研究首次对广谱保护性 NS1 单克隆抗体进行了结构表征,揭示了交叉保护的分子基础以及保护性抗体的作用机制,为黄病毒通用疫苗的设计提供了新思路。

澳大利亚昆士兰大学的 Naphak Modhiran 博士和中国科学院北京生命科学研究院宋豪副研究员为本文的并列第一作者,高福院士、施一研究员与昆士兰大学的 Paul R. Young 及 Daniel Watterson 教授为论文共同通讯作者。微生物所齐建勋研究员给予了大力支持。本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项项目、国家科技重大专项、国家自然科学基金等支持。

值得一提的是,Science 同期背靠背发表了加利福尼亚大学 Eva Harris 和密歇根大学安娜堡分校 Janet Smith 博士课题组题为 Structural basis for antibody inhibition of flavivirus NS1–triggered endothelial dysfunction 的研究论文,通过与 DENV-1 和 DENV-2 血清型 NS1 蛋白的共结晶揭示了保护性抗体 2B7 的结合位点。与 1G5 类似,2B7 也识别 NS1 C 端β- 梯型结构域的一个保守表位,且也具有广谱结合多种黄病毒 NS1 蛋白的能力,并可消除体内血管渗漏,显著降低 DENV 致死感染小鼠的死亡率。

总的来说,这两篇背靠背文章的发表首次揭示了靶向 NS1 蛋白的广谱治疗性抗体的作用机制,为此类广谱治疗性抗体的应用开辟了道路,也为黄病毒通用疫苗的开发提供了新的方向。

原文链接:

https://science.sciencemag.org/content/371/6525/190

https://science.sciencemag.org/content/371/6525/194

 

参考文献

1          Dai, L. et al. Structures of the Zika virus envelope protein and its complex with a flavivirus broadly protective antibody. Cell Host Microbe 19, 696-704, doi:10.1016/j.chom.2016.04.013 (2016).

2          Wang, Q. et al. Molecular determinants of human neutralizing antibodies isolated from a patient infected with Zika virus. Sci. Transl. Med. 8, 369ra179, doi:10.1126/scitranslmed.aai8336 (2016).

3          Song, H., Qi, J., Haywood, J., Shi, Y. & Gao, G. F. Zika virus NS1 structure reveals diversity of electrostatic surfaces among flaviviruses. Nat. Struct. Mol. Biol. 23, 456-458, doi:10.1038/nsmb.3213 (2016).

4          Xu, X. et al. Contribution of intertwined loop to membrane association revealed by Zika virus full-length NS1 structure. EMBO J. 35, 2170-2178, doi:10.15252/embj.201695290 (2016).

5          Modhiran, N. et al. Dengue virus NS1 protein activates cells via Toll-like receptor 4 and disrupts endothelial cell monolayer integrity. Sci. Transl. Med. 7, 304ra142, doi:10.1126/scitranslmed.aaa3863 (2015).

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