马尔堡病毒囊膜蛋白GP结构及其与受体NPC1相互作用的分子机制研究

The Marburg virus and Ebola virus belonging to Filoviridae family are types of enveloped viruses that can cause Ebola or Marburg haemorrhagic fever in humans and primates with extremely high mortality rate. Since its discovery, filamentous virus has been raging in Africa for nearly 50 years. At the end of 2013, the Ebola virus led to an unprecedented outbreak in Africa which threatened the global health and caused particular panic. This incident reminded us the imminent demand of filamentous virus prevention and control. The trimeric glycoprotein (GP) spike anchored in the envelope is the critical factor for filamentous virus entrance of host cells, which responsible for viral attachment of host receptors and viral membrane fusion. For this reason, a structural and functional research of GP protein and its roles in host receptor interaction will contribute to a thorough comprehension of the filamentous entry mechanism. For now the structures of EBOV GP and its complex with receptor NPC1 were solved and the binding properties and structural features were well characterized, while the mechanism of MARV GP binding to NPC1 is group dense fog. This program plans to study the structure features of MARV GP and its receptor binding properties by solving the structure of MARV GP and its complex binding to NPC1. This program will provide the systemic and comprehensive view of the MARV pathogenic mechanism, and support the antiviral drug design of MARV and prevention and control of filamentous virus in China.

马尔堡病毒与埃博拉病毒同属丝状病毒科，是一类能够引起人和灵长类动物发生死亡率极高的出血热疫情的烈性囊膜病毒。自发现起，丝状病毒已经肆虐非洲近50年。埃博拉病毒更在2013年底引发了一场规模空前的、给全球卫生带来严重威胁的疫情。这次事件使我们深刻意识到丝状病毒防控迫在眉睫。GP蛋白是丝状病毒囊膜表面唯一的膜粒蛋白，负责病毒与受体的结合和膜融合，是丝状病毒感染宿主细胞的关键。对GP蛋白结构和功能以及GP与宿主细胞受体互作机制的全面了解有助于我们更深入的了解丝状病毒的感染机制。在前期的研究中，我们解析了埃博拉病毒GP蛋白与其受体NPC1的复合物结构，使得病毒与其受体的互作机制得到很好的阐述。但马尔堡病毒GP蛋白结构及其与受体互作的分子机制仍然未知。本项目将通过结构学手段解析马尔堡病毒GP蛋白及其与受体NPC1分子的复合物结构，为抗病毒药物的设计和丝状病毒疫情的防控提供理论基础和科学支撑。

马尔堡病毒与埃博拉病毒同属丝状病毒科，是一类能够感染人和灵长类动物并引发出血热疫情的烈性囊膜病毒，其感染死亡率超过80%。自2014年西非埃博拉病毒疫情后，埃博拉病毒对宿主细胞的感染机制得到阐明，以其囊膜糖蛋白GP为靶点的两种抗体药物更是于2020年获得美国食品及药物管理局批准，可用于埃博拉病毒感染的治疗。然而目前马尔堡病毒的受体结合机制仍然未知，其治疗性抗体药物仍有待开发。.为此，本项目首次评估了马尔堡病毒与受体NPC1间的亲和力水平，发现激活态的MARV-GPcl与NPC1-C间的亲和力约为33μM，与EBOV-GPcl类似；尽管有研究推测，MARV-GP的受体结合表位趋向于暴露，但我们的结果表明酶切激活前完整状态的MARV-GP并不能与NPC1-C结合；进一步的研究发现，马尔堡病毒和埃博拉病毒通过识别相同的关键氨基酸和相似的表位与受体NPC1结合。上述结果扩展了我们对MARV-GP结构以及马尔堡病毒受体结合机制的认知。在此基础上，我们筛选到了多株特异性识别MARV-GP的高亲和抗体，为进一步的治疗性和检测性抗体开发奠定了基础；.此外，项目资助期间恰逢非洲猪瘟病毒疫情在我国暴发，为解决这一关乎民生的病毒疫情，我们以国家需求为导向扩展研究目标，利用相似的技术体系和平台，阐明了非洲猪瘟病毒重要药靶蛋白pA104R折叠压缩病毒基因组的机制，并筛选到具有治疗潜力的小分子抑制剂，为疫情防控提供候选药物。