近日，中國科學(xué)院武漢病毒研究所/病毒學(xué)國家重點實驗室李峰研究員團(tuán)隊在國際學(xué)術(shù)期刊ACS Nano在線發(fā)表了一項題為“Transformation of a Viral Capsid from Nanocages to Nanotubes and Then to Hydrogels: Redirected Self-Assembly and Effects on Immunogenicity”的研究工作。該研究實現(xiàn)了病毒衣殼蛋白組裝體從籠形到管狀、再進(jìn)一步到納米管水凝膠的轉(zhuǎn)變，并揭示了這種納米形態(tài)轉(zhuǎn)變帶來的免疫學(xué)效應(yīng)。

不同形態(tài)往往能賦予生物系統(tǒng)差異化的功能。生物大分子自組裝是生物結(jié)構(gòu)、機器乃至系統(tǒng)形態(tài)發(fā)生的主要途徑之一，病毒是其中的典型代表。天然病毒衣殼存在兩種基本形態(tài)，即正二十面體對稱的球形和螺旋對稱的棒狀。病毒衣殼蛋白可自組裝形成病毒樣顆粒（virus-like particles ，VLPs），廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、材料學(xué)等不同領(lǐng)域。當(dāng)前VLP的應(yīng)用與研究都是基于上述兩種形態(tài)。如果能操控VLP自組裝獲得其它形態(tài)的結(jié)構(gòu)，則可能賦予其更優(yōu)異的性質(zhì)或全新的功能。例如，感染人類和動物的病毒絕大多數(shù)都是球形，已獲臨床應(yīng)用的VLP疫苗更是只有球形。如果球形VLP能轉(zhuǎn)換成其它形態(tài)，對其免疫原性將產(chǎn)生什么影響？

圍繞上述問題，李峰團(tuán)隊與合作者以MS2 VLP為模式體系，借助分子動力學(xué)模擬，對組裝界面關(guān)鍵區(qū)域FG loop進(jìn)行再設(shè)計，將70號位點突變?yōu)榘腚装彼幔善浣閷?dǎo)形成新的強相互作用（二硫鍵），打破天然正二十面體對稱軸附近界面作用力的同時，引導(dǎo)組裝單元（衣殼蛋白二聚體）形成一維結(jié)構(gòu)。實驗證實，上述突變聯(lián)合46號位點突變（排除內(nèi)源半胱氨酸潛在干擾），可使其球形納米籠結(jié)構(gòu)完全轉(zhuǎn)變成超細(xì)雙螺旋納米管，平均長度約1 μm，外徑8.6 nm，內(nèi)徑2.6 nm。高分辨冷凍電鏡結(jié)構(gòu)顯示，突變蛋白的二級和三級結(jié)構(gòu)與野生型幾乎相同，但FG loop柔性有差異，組裝單元形成了與野生型完全不同的排布模式。更有意思的是，70號位點突變成疏水性側(cè)鏈氨基酸也能形成類似的納米管，而突變成組氨酸則能獲得單螺旋納米管。進(jìn)一步，在納米管表面75號位點引入半胱氨酸，可引發(fā)納米管交聯(lián)形成還原響應(yīng)型凝膠塊體（圖1）。利用該可變形組裝體系，他們比較了納米籠、納米管和納米管凝膠三種不同形態(tài)對MS2衣殼蛋白免疫原性的影響：相比納米籠，納米管可顯著提升體液和細(xì)胞免疫應(yīng)答水平，納米管凝膠雖不能顯著提升體液免疫應(yīng)答水平，但能大大提升CD8⁺ T細(xì)胞的細(xì)胞因子分泌水平和細(xì)胞的殺傷功能（圖2）。該工作獲得了首個多層級、可變形的VLP自組裝體系，揭示了組裝形態(tài)對病毒衣殼蛋白免疫原性的重要影響，為納米疫苗和其它功能蛋白納米材料的設(shè)計提供了新思路。

武漢病毒所博士研究生楊夢思、饒桂波博士和復(fù)旦大學(xué)李龍博士為該論文共同第一作者；武漢病毒所李峰研究員、曹晟研究員和復(fù)旦大學(xué)陳國頌教授為論文共同通訊作者；深圳理工大學(xué)張先恩研究員、上海大學(xué)魏濱教授等參與了此項研究。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、武漢市知識創(chuàng)新專項、武漢市重大科技專項等項目的支持。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c01969

圖1. MS2衣殼蛋白組裝體由籠形到管狀再到凝膠的形態(tài)操控。

圖2. 納米組裝形態(tài)顯著影響MS2病毒衣殼蛋白的免疫應(yīng)答。CP_WT，納米籠；CP_C46A/Q70C，納米管；CP_{C46A/Q70C/V75C}，納米管凝膠。