Cell：重大进展！抗体阻止病毒感染新策略---让病毒扭曲变形

2021年12月7日讯/生物谷BIOON/---人们普遍认为，抗体通过抓住病毒的表面并阻止它们感染宿主细胞来中和它们。但是，在一项新的研究中，来自新加坡国立大学、杜克-新加坡国立大学医学院、美国宾夕法尼亚州立大学和英国牛津大学的研究人员发现这种中和方式并不是抗体让病毒失效的唯一方式。他们发现抗体还能让病毒变形，从而阻止它们正确地附着到细胞上并进入其中。相关研究结果于2021年11月30日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“The epitope arrangement on flavivirus particles contributes to Mab C10’s extraordinary neutralization breadth across Zika and dengue viruses”。

论文共同通讯作者、宾夕法尼亚州立大学化学副教授Ganesh Anand博士说，“每个人都认为抗体与病毒结合并阻止它们进入细胞---基本上是将它们锁定。但是我们的研究首次揭示，抗体也可能在物理上让病毒变形，因此它们无法正确地附着和感染宿主细胞。”

在他们的研究中，Anand和他的同事们调查了人类单克隆抗体（HMAb）C10和两种致病病毒---寨卡病毒和登革热病毒---之间的相互作用。他们使用的HMAb C10抗体是以前从感染登革热病毒的患者身上分离出来的，而且也被证明能中和寨卡病毒。

他们使用了包括低温电镜（cryo-EM）和氢/氘交换质谱（hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry, HDXMS）在内的多种技术可视化观察这两种病毒来了解它们的运动。

Anand解释说，“低温电镜涉及闪冻含有感兴趣的分子的溶液，然后用电子靶向它们，以产生不同方向的单个分子的许多图像。这些图像然后被整合成分子外观的快照。该技术提供了比其他形式的显微镜更准确的分子图片。”

为了记录抗体对寨卡病毒和登革热病毒的影响，Anand及其团队收集了抗体浓度增加条件下的这两种病毒的低温电镜快照。

与此同时，该团队还应用了HDXMS，这是一种将感兴趣的分子--在这项研究中指的是寨卡病毒和登革热病毒以及HMAb C10抗体---浸没在重水中的技术。Anand解释说，重水中的氢原子已经被替换成了氘，即比氢更重的同位素。

他说，“当你把病毒浸没在重水中时，病毒表面上的氢原子与氘交换。然后你可以使用质谱仪来测量病毒的重量，作为这种氘交换的函数。通过这样做，我们观察到随着更多的抗体被添加到溶液中，登革热病毒而不是寨卡病毒中的氘含量变得更重。这表明，对于登革热病毒来说，抗体正在让这种病毒变形并允许更多的氘进入。这就好像病毒被压扁了，更多的表面积暴露出来，从而使得更多的氢可以被交换成氘。”

相比之下，寨卡病毒放在重水中时并没有变得更重，这表明它的表面虽然完全被抗体占据，但没有被抗体扭曲变形。

Anand解释说，通过结合低温电镜和HDXMS，该团队能够全面了解当抗体附着在寨卡病毒和登革热病毒上时会发生什么。

他说，“这就像那些卡通翻页书，每一页都有一个稍微不同的图像，当你翻阅这本书时，你会看到一个简短的电影。想象一下，一本有赛马图画的翻页书。低温电镜向你展示赛马的样子，HDXMS向你展示赛马的运动速度。你需要这两种技术来描述一匹运动中的赛马。这套互补的工具使我们能够了解一种类型的抗体如何对这两种类型的病毒产生不同的影响。”

他指出，他们添加的抗体越多，登革热病毒颗粒就越扭曲变形，这一事实表明化学计量学（stoichiometry）---在化学反应之前、期间和之后，反应物和产物的数量之间的关系---很重要。他说，“仅仅有抗体存在是不够的。你加入多少抗体决定了中和的程度。”

事实上，Anand团队发现，在饱和条件下，即添加足够高浓度的抗体以填补登革热病毒表面上所有可用的结合位置，60%的登革热病毒表面变得扭曲变形。这种扭曲变形足以保护细胞免受感染。

Anand说，“如果你有足够多的抗体，它们将使登革热病毒颗粒变形，以便在病毒到达靶细胞之前就先发制人地破坏其稳定性。”

事实上，当Anand团队将抗体结合的登革热病毒与BHK-21细胞（一种来自小仓鼠肾脏的细胞系，通常用于病毒感染研究）一起孵育时，他们发现感染的细胞减少了50%～70%。

Anand解释说，“对于包括寨卡病毒在内的一些病毒，抗体的作用好比是堵塞汽车的出口，使乘客无法离开汽车。我们在登革热病毒中发现了一种新的机制：抗体基本上将汽车完全破坏，因此它甚至无法行驶到细胞。”

抗体是如何使登革热病毒颗粒变形的？

Anand解释说，与如今熟悉的刺突蛋白向各个方向突出的SARS-CoV-2不同，寨卡病毒和登革热病毒的表面是一个更平滑的表面，有山峰有山谷。

图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.11.009。

Anand指出，对于登革热病毒，抗体特别喜欢结合称为5重顶点（5-fold vertices）的“山峰”。一旦5重顶点上的所有蛋白都被结合，抗体将转向它们第二喜欢的山峰---3重顶点。最后，登革热病毒就只剩下2重顶点了。

Anand说，“抗体不喜欢2重顶点，因为它们非常机动，难以结合。我们发现，一旦5重顶点和3重顶点被抗体完全结合，如果我们在溶液中加入更多的抗体，登革热病毒就开始颤抖。在试图进入的抗体和试图甩掉它们的病毒之间发生了这种竞争。结果，这些抗体最终钻进了病毒，而不是结合到2重顶点上，我们认为正是这种对病毒颗粒的钻入导致了病毒的抖动和扭曲变形，最终变得没有功能。”

寨卡病毒和登革热病毒之间的区别是什么？

Anand解释说，与登革热病毒比，寨卡病毒是一种更稳定、更少动态的病毒，这是因为登革热病毒有很多移动的部分。

Anand说，“登革热病毒和寨卡病毒看起来很相似，但是它们的作用不同。登革热病毒可能已经进化成了一种机动性更强的病毒，作为一种避免被抗体捕获的方式。它的移动部分扰乱了免疫系统。对登革热病毒来说，不幸的是，抗体已经进化出一种方法，通过钻入病毒并使其变形来解决这个问题。”

他说，看来同一类型的抗体可以以两种不同的方式中和寨卡病毒和登革热病毒：它与寨卡病毒结合并使其失活，这是人们认为抗体的传统作用方式；它钻入登革热病毒并使之扭曲变形。

那其他病毒呢？

Anand说，他的团队发现的扭曲变形策略可能也会被抗体在面对其他类型的病毒时使用。他说，“登革热病毒只是我们在实验中使用的一种模型病毒，但我们认为这种先发制人的不稳定化策略可能广泛适用于任何病毒。可能是抗体首先试图通过结合方法中和病毒，如果不成功，它们就采用这种扭曲变形方法。”

这些研究结果是否有任何潜在的应用？

Anand说，这些发现在设计治疗性抗体方面可能是有用的。他说，“HMAb C10抗体对登革热病毒和寨卡病毒具有特异性，并且恰好能够以两种不同的方式中和登革热病毒和寨卡病毒。但是你有可能设计出具有同样能力的药物来治疗其他疾病，如COVID-19。通过构建一种既能阻断病毒又能扭曲病毒的治疗方法，我们有可能实现更大的中和作用。”

他补充说，“你不想等待病毒到达它的靶组织，所以如果你能在病毒第一次进入身体的地方给送这样一种治疗性混合物作为鼻腔用喷雾剂，你甚至可以阻止它进入人体。通过这样做，你甚至可以使用更少的抗体，因为我们的研究表明，通过变形法中和病毒需要的抗体更少。你可以得到更好的回报。”

总的来说，Anand强调，这项研究的重要性在于它揭示了一些抗体用来让一些病毒丧失能力的全新策略。

他说，“在此以前，我们所知道的关于抗体的一切是它们与病毒结合并中和病毒。如今我们知道，抗体可以通过至少两种不同的方式中和病毒，甚至可能还更多的作用方式。这项研究为我们打开了一条全新的探索之路。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：i

Xin-Xiang Lim et al. Human antibody C10 neutralizes by diminishing Zika but enhancing dengue virus dynamics. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.11.009.