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专家点评Nature | 严欢团队首次提出人工设计病毒受体

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-10-31 00:10

正文

点评 | 高福（中国科学院院士）、夏宁邵（中国工程院院士）、程功（清华大学）

受体识别是病毒感染与传播过程中的关键事件。受体既是理解病毒进入宿主细胞机制的核心线索，也是构建感染模型、推动机制研究和药物研发的基础。然而，天然受体鉴定工作存在较高的不确定性与滞后性，有些重要病毒的受体鉴定几十年未有突破，严重阻碍了相关病毒学研究的深入推进。

2024年10月30日，武汉大学生命科学学院/病毒学国家重点实验室严欢团队、广州实验室/中国科学院武汉病毒研究所石正丽团队以及华盛顿大学David Veesler团队合作在国际顶级期刊Nature 在线发表了题为 Design of customized coronavirus receptors 的研究论文（Article）。严欢团队首次提出“定制化病毒受体（CVR）”的概念，旨在不依赖天然受体的条件下构建易感细胞模型。基于该技术，严欢团队为多种冠状病毒成功设计了功能性人工受体，并通过合作深入探索了人工受体发挥功能的机制及其多方面的应用价值。

该设计策略采取类似于“乐高积木”的模块化设计思路，将完整受体分解为“病毒结合域（VBD）”与“人工受体框架（ARS）”两部分分别进行设计与优化。通过截取天然受体的多种结构与功能模块并重组得到具有一定兼容性的ARS，通过抗体改造、文库筛选、蛋白质从头设计等手段获得靶向特定表位的VBD作为特异性模块，最终通过分子嫁接生成候选受体（图1）。

图1 人工病毒受体（CVR）的模块化设计思路

严欢团队从新冠病毒受体ACE2出发，通过不断截短、替换ACE2序列，发现受体可以被完全替换为不含任何ACE2序列的人工受体分子，并通过一系列生化与分子生物学手段揭示了影响受体功能性的关键因素，开发了一套适用于冠状病毒的人工受体模块化设计方案（图2）。在此基础上，研究人员通过对新冠病毒Spike蛋白的多种结合表位进行系统性测试，揭示了人工受体所识别的表位对受体功能性的重要影响，并阐明了其分子机制。值得一提的是，严欢团队发现一种结合新冠病毒NTD特定表位的人工受体（S2L20-CVR），意外地可以通过结合经典的CTD受体结合域（RBD）之外的区域发挥功能，通过与David Veesler团队合作，揭示了这一特殊的功能性受体通过一种类似于“分子棘轮”的机制强制三个CTD结构域处于“开放”构像，进而发挥功能。这意味着SARS相关冠状病毒完全有能力利用NTD结合受体并实现有效入侵。此外，严欢团队发现，结合鼠肝炎冠状病毒（MHV）Spike蛋白 CTD结构域的人工受体也具有良好的受体功能性，这说明尽管MHV利用NTD识别其天然受体CEACAM1a，其CTD仍然保有充当RBD的能力。这些发现表明冠状病毒Spike蛋白可以兼容多种方式激活其融合机器并介导病毒入侵。

图2 冠状病毒定制化人工病毒受体示意图

严欢团队通过纳米抗体噬菌体文库淘选的手段获取了一系列特异性病毒识别模块，成功为来自6个不同亚属的12种冠状病毒设计了人工受体，其中多种病毒天然受体仍不明确（图3）。团队基于外源表达人工受体的工程化细胞，利用病毒膜融合实验、假病毒入侵实验以及可扩增型VSV嵌合病毒感染实验等手段验证了受体功能性。通过与石正丽团队合作，CVR感染模型成功实现了HKU5等冠状病毒的分离培养。这些工作为冠状病毒基础研究与抗病毒药物研发提供了具有重要价值的感染模型资源。

图3 利用纳米抗体淘选技术为不同冠状病毒定制化功能性受体

综上，该研究通过模块化设计思路，开发出一套兼容性、可拓展的人工病毒受体设计策略，成功实现了多种冠状病毒功能性受体的定制化设计。尽管本研究以冠状病毒为主要研究对象，理论上该策略也可以为其他自然存在的病毒设计受体，但实现最佳受体功能的难度可能因病毒而异。通过为一些受体未明且缺乏感染模型的病毒设计人工受体，有望突破病毒学研究瓶颈，促进相关病毒感染致病机制的基础研究以及疫苗与抗病毒药物的开发（图4）。

图4 人工病毒受体的科学与应用价值

严欢教授、石正丽研究员和David Veesler教授为该论文的共同通讯作者；武汉大学生命科学学院博士生刘鹏、硕士生黄美玲，中国科学院武汉病毒研究所博士后郭华，以及华盛顿大学Matthew McCallum为该论文的共同第一作者。

专家点评

高福（中国科学院微生物研究所，院士）

冠状病毒包含26个亚属与52个病毒种，其中许多成员有潜在的跨种传播风险。这些病毒在进化过程中发展出了多样化的受体识别机制，即使是同一个病毒种的不同毒株也可能利用不同的受体。目前已知的冠状病毒功能性蛋白类受体包括ACE2、DPP4、APN、CEACAM1a和TMPRSS2。此外，还有一些冠状病毒利用糖受体。然而，仍然有许多冠状病毒受体不明确，且由于缺乏可用的易感细胞模型，研究工作受到了极大限制。因此，亟需一种通用策略来开发可行的感染模型以推动相关病毒的研究。

近日，严欢团队、石正丽团队以及David Veesler团队合作在Nature在线发表了题为Design of customized coronavirus receptors的研究论文，从新颖的角度为这一难题提供了解决方案。严欢团队在充分理解影响受体功能性的关键因素基础上，首次提出了“定制化病毒受体（Customized Viral Receptor, CVR）”的概念，通过模块化人工设计冠状病毒功能性受体，构建了不依赖天然受体表达的冠状病毒易感细胞模型。

研究团队首先以ACE2受体为起点，通过分子截短与替换实验，发现SARS-CoV-2的受体可以完全替换为人工设计的受体分子，表明从头设计功能性受体是可行的。随后，研究人员提出了一种基于病毒结合域（VBD）与人工受体框架（ARS）分别进行模块化设计的策略，构建并测试了一系列不同形式的嵌合受体，揭示了多个影响受体功能性的关键因素。该研究重点研究了受体结合表位对病毒感染能力的影响，阐明了人工受体的功能性与其是否能够诱导合适的构象变化（如76E1表位暴露）并激活融合机器密切相关。

在此基础上，研究团队通过嫁接不同的病毒结合域，构建了一系列定制化的冠状病毒人工受体，并通过多种生化与病毒学手段对受体功能性进行了验证。此外，作者还提出了通过靶向冠状病毒的保守表位构建广谱人工受体的新思路。作者进一步证明这些人工受体不仅能支持多种冠状病毒的高效扩增，还成功利用人工受体从蝙蝠样本中分离出了HKU5，从而证明人工受体能够为分离、拯救与培养受体不明的冠状病毒提供行之有效的工具。

综上，该研究提供了不受病毒自然受体利用和细胞嗜性制约的宝贵研究工具，为针对未知受体冠状病毒的拯救、分离和培养提供了条件，对于揭示冠状病毒普遍性的受体利用机制、促进自然界多种冠状病毒的前瞻性研究、评估冠状病毒潜在流行风险具有重要意义，同时也为其他病毒的人工受体设计指明了方向。

专家点评

夏宁邵（厦门大学，院士）

易感细胞和动物感染模型是病毒分离培养以及疫苗和药物研发的关键资源，其可用性直接影响基础研究与转化医学研究的难度与效率。由于许多病毒的细胞受体尚未被鉴定清楚，部分病毒缺乏高效细胞培养模型，限制了对病毒传播和病理机制的深入研究，包括一些在体外具有感染人类细胞能力的蝙蝠SARS相关冠状病毒。由于缺乏受体信息，研究门槛高，致使我们对其传播和致病性不甚了解，目前疫苗和药物是否足够应对这些病毒也尚无定论。如果未来这些病毒溢出并感染人类，可能导致更加复杂和严峻的疫情防控形势。在此背景下，如能绕开病毒的天然细胞受体，采用合成生物学方法人工精准设计能高效介导病毒入胞感染的定制化替代受体构建细胞模型，对天然受体和易感细胞尚不明确的病毒的分离扩增、生活史研究和抗病毒药物研究有重要意义。

Nature杂志在最新一期上线的论文报道了武汉大学严欢教授领衔的一项新颖的研究工作。该研究综合运用多学科交叉手段，提出并发展了“定制化病毒受体（CVR）”的策略，能够在天然受体不明的情况下设计出功能性受体，为研究具有潜在人畜共患风险的冠状病毒提供了全新途径。他们通过截取天然受体的多种结构性模块重组获得具有一定兼容性的人工受体框架，仅需更换适配模块中的“结合域”即可实现受体“定制化”设计，从而将复杂的受体设计问题简化为相对成熟的抗体筛选和功能评价的问题，并通过一系列实验证明了冠状病毒Spike上介导感染的功能域具有一定的灵活性。更为重要的是，利用功能性CVR构建的细胞成功实现了一些冠状病毒 (如HKU5) 的分离、拯救与高效扩增，并证明该模型可以更高效地支持一些受体尚不明确的冠状病毒的培养（如RsHuB2019A）。

长期以来，许多研究以“拮抗”病毒入胞为目标，而严欢团队反其道而行，以“促进”病毒入胞为目标，开拓了一个全新的研究方向。此类“促病毒”研究同样具有重要意义，因为其建立的特定感染模型可作为新颖的病毒学研究工具，对于天然受体尚不明确、培养困难的病毒研究发展了开创性的解决方案。尽管在论文尚只报道了该技术在冠状病毒中的应用范例，相信通过对ARS和VBD的进一步优化，该技术可拓展到其他病毒感染模型的构建中，可能为改变细胞对不同病毒的易感性奠定基础。未来人工受体技术的进一步拓展，将助力于更精准地分析病毒感染机制，助力疫苗和抗病毒药物的研发。

专家点评

程功（清华大学，教授）

病毒的功能性受体在病毒感染与传播过程中发挥着关键作用。因此，受体相关的研究一直是病毒学领域的重点方向。受体不仅是构建易感细胞和动物模型的关键分子，也是理解病毒感染机制的核心。目前，感染模型的构建高度依赖于天然受体的发现和鉴定。尽管全球科研人员通过免疫沉淀、膜蛋白分析、CRISPR-Cas9筛选等技术手段鉴定了多种病毒受体，但仍有许多重要病毒的受体未被解析，病毒和受体间的适应性进化规律也尚未被充分阐明。尤其是部分重要冠状病毒的受体仍未明确，限制了这些病毒的分离和培养，极大地阻碍了后续研究的深入推进。

针对这一瓶颈，严欢等人开发了一种全新的“定制化人工病毒受体（Customized Viral Receptor，CVR）”技术。该策略巧妙地结合了已知天然受体的结构特征和抗体等病毒结合蛋白的特异性，可成功实现特定病毒受体的定制化设计。研究团队还深入分析了病毒高效侵入细胞的关键机制，并优化了人工受体分子，使其能更高效地介导病毒入侵。借助这一技术，可获取通过天然受体模型难以获得的关键信息，能够更深入揭示病毒入侵的分子机制。基于CRV技术，研究人员成功为多种冠状病毒设计了功能性受体，构建了相应易感细胞模型，并成功分离出此前难以获取的病毒资源。此外，研究团队还利用这些模型初步评估了多种病毒抑制剂的有效性与广谱性。

可以预见，该策略很可能适用于其他受体不明确且缺乏感染模型的重要病毒。结合AI从头设计等前沿技术，该方法有望快速生成人工功能性受体并建立感染模型，极大推动相关领域研究的发展。这一原创性工作有望改变病毒受体的传统研究范式，为病毒学基础研究与疫苗药物开发提供全新的思路。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08121-5

严欢教授简介：严欢教授长期从事病毒受体相关研究，在受体鉴定、设计、改造以及病毒跨种传播入侵机制方面取得了一系列重大的原创性研究成果，读博期间曾成功鉴定乙型肝炎病毒（HBV）受体NTCP（2012，eLife）。近五年重点关注人与蝙蝠冠状病毒，揭示了不同蝙蝠的ACE2受体在介导SARS相关冠状病毒入侵能力上存在显著差异（Nat Ecol Evol,2021; Nat Commun 2024），鉴定出多种MERS相关蝙蝠冠状病毒的受体（Nature,2022; Cell Discovery,2023等），首次提出了冠状病毒定制化人工病毒受体（CVR）的概念（Nature,2024）。

严欢课题组2025年拟招收1名博士研究生及1-2名博士后，欢迎具有抗体工程、结构生物学或动物模型相关基础的学生或青年研究人员加入，如有意向请投递简历。

严欢实验室网址：https://bio.whu.edu.cn/info/1503/9450.htm

简历投递（有意者请将个人简历等材料发至）：

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt或扫描二维码投递简历