Cell：抗體也會(huì)使病毒發(fā)生形變……科學(xué)家發(fā)現(xiàn)使病毒失活的新策略
同一抗體能以兩種途徑中和寨卡病毒與登革熱病毒。一種基于傳統(tǒng)觀點(diǎn)，認(rèn)為抗體通過(guò)結(jié)合病毒使其失活（左）；另一種是抗體潛入病毒，使其發(fā)生形變（右）。（圖片來(lái)源：Ganesh Anand/賓夕法尼亞州立大學(xué)）
眾所周知，抗體附著在病毒表面阻斷其對(duì)宿主細(xì)胞的感染，達(dá)到中和病毒的目的。但新的研究表明，該方法并非使病毒失活的唯一屏障。賓夕法尼亞州立大學(xué)（Pennsylvania State University, PSU）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組發(fā)現(xiàn)，抗體也會(huì)使病毒發(fā)生形變，阻止其正確附著與入侵細(xì)胞。
（圖片來(lái)源：swiftsciencewriting/Pixabay）
賓夕法尼亞州立大學(xué)化學(xué)系副教授Ganesh Anand說(shuō)：“大眾普遍認(rèn)為，抗體鎖定了病毒，阻止它們進(jìn)入細(xì)胞。但我們的研究首次揭示出抗體也能通過(guò)扭曲病毒形態(tài)，導(dǎo)致它們無(wú)法正確附著宿主細(xì)胞，以避免感染。”
在2021年11月30日在線發(fā)表于《細(xì)胞》（Cell）雜志上的研究中，Anand及其同事研究了人單克隆抗體(human monoclonal antibody, HMAb)C10與致命病毒“寨卡”和“登革熱”之間的相互作用。他們使用的HMAb C10抗體分離自登革熱病毒感染者，已被證明能中和寨卡病毒。
研究人員使用了包括冷凍電鏡(cryogenic electron microscopy, cryo-EM)和氫氘交換質(zhì)譜(hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry, HDXMS)在內(nèi)的多種技術(shù)，前者能將病毒可視化，后者能幫助我們了解病毒如何運(yùn)動(dòng)。
“冷凍電鏡將含有目標(biāo)分子的溶液急速冷凍，隨后用電子瞄準(zhǔn)它們，用以生成單分子各個(gè)方位的海量圖像?！盇nand解釋道，“然后我們將這些圖像進(jìn)行整合，生成分子快照。與其他類型的顯微鏡下圖像相比，該技術(shù)提供的分子圖像更為精確?！?/span>
為了記錄抗體對(duì)寨卡病毒和登革熱病毒的作用，該團(tuán)隊(duì)在隨抗體濃度遞增時(shí)收集了病毒的冷凍電鏡快照。
與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用氫氘交換質(zhì)譜技術(shù)，將寨卡病毒、登革熱病毒與HMAb C10抗體浸入重水中。Anand解釋說(shuō)，此時(shí)目標(biāo)分子中的氫原子被更重的同位素氘取代。
“當(dāng)病毒浸入重水中時(shí)，病毒表面的氫原子會(huì)被氘置換?！彼f(shuō)，“然后，依據(jù)氘置換函數(shù)關(guān)系式，可用質(zhì)譜法測(cè)定病毒的質(zhì)量。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)我們觀察到，隨著溶液中抗體濃度的增加，登革熱病毒因氘的置換變得更重了，但寨卡病毒并未出現(xiàn)此現(xiàn)象。這表明，抗體使登革熱病毒發(fā)生形變，更多的氘得以進(jìn)入病毒內(nèi)部。就正如壓扁后的病毒會(huì)暴露更多的表面積，為氘置換提供反應(yīng)場(chǎng)所?！毕啾戎?，寨卡病毒浸入重水后并沒(méi)有變重。這表明盡管其表面完全被抗體占據(jù)，但并未發(fā)生形變。
Anand解釋道，通過(guò)結(jié)合冷凍電鏡和氫氘交換質(zhì)譜技術(shù)，他的團(tuán)隊(duì)能夠全面了解抗體附著于寨卡病毒和登革熱病毒的后續(xù)進(jìn)程。
“這正如連環(huán)畫一樣，每頁(yè)圖畫都略有不同。當(dāng)你翻閱它時(shí)，一部短片就此呈現(xiàn)?！彼f(shuō)，“設(shè)想此處有一本賽馬的連環(huán)畫冊(cè)，冷凍電鏡和氫氘交換質(zhì)譜可分別呈現(xiàn)賽馬的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度，二者在描述運(yùn)動(dòng)中的賽馬時(shí)都不可或缺。同理，這套互補(bǔ)技術(shù)能讓我們了解同種抗體如何對(duì)兩種病毒產(chǎn)生不同影響?！彼赋?，加入的抗體越多，登革熱病毒顆粒的形變量越大。這彰顯出計(jì)量化學(xué)在其中舉足輕重的地位，化學(xué)反應(yīng)前、中、后中反應(yīng)物和產(chǎn)物的數(shù)量關(guān)系尤為重要。
“僅僅有抗體是不夠的?！彼f(shuō)，“抗體的添加量決定了中和程度?！睂?shí)際上，該小組發(fā)現(xiàn)，在飽和條件下，用高濃度抗體填充登革熱病毒所有可用的結(jié)合位點(diǎn)后，60%的病毒表面會(huì)發(fā)生形變，該形變量足以保護(hù)細(xì)胞免受感染?！白懔康目贵w會(huì)充分扭曲病毒顆粒，使其在到達(dá)靶細(xì)胞前就已失去穩(wěn)態(tài)?！盇nand說(shuō)。
事實(shí)上，當(dāng)研究者將結(jié)合抗體的登革熱病毒與BHK-21細(xì)胞（一種來(lái)自幼倉(cāng)鼠腎臟的細(xì)胞系，常用于病毒感染研究）一起孵育時(shí)，發(fā)現(xiàn)受感染細(xì)胞的數(shù)量減少了50-70%。
Anand解釋說(shuō)，在中和寨卡一類病毒時(shí)，抗體會(huì)結(jié)合病毒表面抗原，阻止其黏附靶細(xì)胞受體，就像堵住車門后乘客便無(wú)法下車一樣。而我們?cè)诘歉餆岵《局邪l(fā)現(xiàn)了一種新機(jī)制，抗體能覆蓋幾乎整個(gè)病毒，使它甚至無(wú)法接近細(xì)胞。”
抗體如何使登革熱病毒顆粒發(fā)生形變？
Anand解釋說(shuō)，寨卡病毒和登革熱病毒與如今廣為人知的新冠病毒（SARS-CoV-2）不同，前兩者具有峰谷交錯(cuò)的較光滑表面；后者表面則布滿了伸向四面八方的刺突蛋白。
Anand指出，對(duì)于登革熱病毒，抗體尤其傾向與5倍頂點(diǎn)的峰結(jié)合。當(dāng)5倍頂點(diǎn)飽和后，抗體退而求其次，開(kāi)始結(jié)合3倍頂點(diǎn)的峰。后，病毒表面只剩下2倍頂點(diǎn)。
“抗體對(duì)2倍頂點(diǎn)的親和力差，因?yàn)樗鼈冏兓喽饲译y以結(jié)合。”Anand說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)，如果在5倍和3倍頂點(diǎn)均飽和后，在溶液中繼續(xù)添加更多抗體，病毒就會(huì)開(kāi)始振動(dòng)。此時(shí)抗體嘗試進(jìn)入病毒，而病毒試圖擺脫抗體。雙方博弈的結(jié)果是抗體勝出，它們鉆入病毒內(nèi)部，而非與2倍頂點(diǎn)處結(jié)合。我們認(rèn)為，病毒顆粒的振動(dòng)、形變和終的失活正源于此?！?/span>
寨卡病毒和登革熱病毒有什么區(qū)別？
Anand解釋說(shuō)，登革熱病毒存在許多可變區(qū)，相較而言寨卡病毒更穩(wěn)定、更缺乏動(dòng)態(tài)。
“登革熱和寨卡病毒看起來(lái)很相似，但二者各有特性。為了避免抗體的捕獲，登革熱或已進(jìn)化為更靈活的病毒，介導(dǎo)免疫逃逸。而抗體的演化道高一丈，它鉆入病毒內(nèi)并使其形變，化解了該難題?！?/span>
他說(shuō)，同一抗體似乎可以通過(guò)兩種不同的方式中和寨卡病毒和登革熱病毒，一種是傳統(tǒng)觀點(diǎn)，認(rèn)為它與病毒結(jié)合并使其失活；另一種是它鉆入并使病毒發(fā)生形變。
上述策略在面對(duì)其它病毒時(shí)表現(xiàn)如何？
Anand說(shuō)，在抗體面對(duì)其它類型的病毒時(shí)，使其形變的策略或許也能奏效。
“登革熱只是我們實(shí)驗(yàn)中使用的模型病毒，但我們認(rèn)為，抗體能未雨綢繆地破壞病毒穩(wěn)定性，該策略可能是放之四海而皆準(zhǔn)的?！彼f(shuō)，“抗體可能首先通過(guò)設(shè)立屏障中和病毒，在此舉不奏效時(shí)，再采用使病毒形變的策略?！?/span>
這些發(fā)現(xiàn)是否有潛在的應(yīng)用？
Anand說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)可能有助于設(shè)計(jì)治療性抗體。
“HMAb C10抗體對(duì)登革熱和寨卡病毒有特異性，并且恰好能以兩種不同的方式中和二者?！彼f(shuō)，“但你能設(shè)計(jì)出具有相同功效的療法治療其他疾病，例如將其運(yùn)用于新冠的治療中。使用既能阻斷又能扭曲病毒的抗體作為新療法后，或能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的中和效價(jià)?！?/span>
他接著補(bǔ)充道：“我們想要阻止病毒到達(dá)其靶組織，所以如果能將該治療復(fù)合劑制成鼻噴霧，應(yīng)用于病毒率先入侵機(jī)體的部位，甚至可以阻斷它進(jìn)入機(jī)體。采用該方法甚至可以減少抗體的使用。我們的研究表明，采用使病毒形變的方法中和病毒，所需的抗體更少，可獲得的效益更高。”
綜上，Anand強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)研究的重要性，它揭示了某些抗體使病毒失活的一種全新策略。
他說(shuō)道：“以前我們對(duì)抗體的認(rèn)知僅限于它們結(jié)合并中和病毒，現(xiàn)在我們知道抗體可以通過(guò)兩種甚至以上的不同方式中和病毒。這項(xiàng)研究為全新的探索之路敞開(kāi)了大門?！?/span>
該論文的其他作者包括：研究生Xin-Xiang Lim、冷凍電鏡設(shè)施經(jīng)理Jian Shi和新加坡國(guó)立大學(xué)教授Shee-Mei Lok。共同作者還包括研究員Bo Shu、助理教授Shujun Zhang、研究生Aaron W.K. Tan、Thiam-Seng Ng、Xin-Ni Lim、新加坡杜克國(guó)立大學(xué)醫(yī)學(xué)院助理教授Valerie Chew和牛津大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)部負(fù)責(zé)人兼作家Gavin R. Screaton。
本文來(lái)自：中國(guó)數(shù)字科技館
