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Nat Commun:中科院生活细胞所丁建平和孙兵研究组合作揭示抗流感病毒广谱中和抗体3E1发挥功能结构基础

摘要 : 2016年12月2日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature communications》杂志在线发表了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所丁建平研究组、上海巴斯德研究所孙兵研究组、中国农业科学院哈尔滨兽医研究所陈化兰研究组合作的最新研究成果

 2016年12月2日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature communications》杂志在线发表了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所丁建平研究组、上海巴斯德研究所孙兵研究组、中国农业科学院哈尔滨兽医研究所陈化兰研究组合作的最新研究成果:“Human antibody 3E1 targets the HA stem region of H1N1 and H5N6 influenza A viruses”。研究工作揭示了抗流感病毒广谱中和抗体3E1通过识别血球凝集素颈部保守构象表位,抑制低pH诱导的血球凝集素构象变化,进而抑制血球凝集素主导的膜融合过程,最终达到中和H1和H5亚型甲型流感病毒的目的。丁建平研究组的博士研究生王文帅为论文第一作者,丁建平研究员、孙兵研究员和陈化兰研究员为论文共同通讯作者。

流行性感冒(Influenza)是流感病毒导致的强传染性疾病,一直是人类健康的重大威胁,造成了重大经济损失。季节性流感每年导致25-50万人死亡,数百万人因病不能正常工作。近年来各地不断爆发禽流感疫情,严重威胁人们的身体健康及生产安全。目前疫苗和抗病毒药物是预防和治疗流感的主要方法,但新型病毒株和抗药性病毒株的不断出现令新药物、广谱疫苗和广谱抗体的开发迫在眉睫。血球凝集素(hemagglutinin,HA)是一种流感病毒包膜蛋白,主导了病毒对细胞表面受体的识别吸附、以及通过膜融合进入细胞的入侵过程,是抗体识别的主要靶标之一。但是血球凝集素头部一级序列的不保守造成大多数以头部为靶标的中和抗体不具有广谱性;而血球凝集素颈部的高保守性使得以颈部为靶标的中和抗体具有更高的广谱性。近年来发现的多种以血球凝集素颈部为靶标的广谱中和抗体为广谱疫苗设计、广谱中和抗体治疗应用提供了新的思路。

丁建平研究组在抗原抗体结构生物学领域进行了长期的研究工作,先后测定了不同抗体与CD20、CD25、CD11a、Osteopontin等蛋白复合物的晶体结构,揭示了这些抗体发挥生物学功能的分子基础(J. Biol. Chem., 2007; Mol. Immunol., 2008; J. Mol. Biol., 2008; PNAS., 2009; Mol. Immunol., 2009; J. Immunol., 2009; Cell Res., 2010)。近期孙兵研究组分离到识别血球凝集素颈部的全人广谱中和抗体3E1(Virology., 2012)。为了探究此抗体的广谱中和能力及其分子基础,丁建平研究组与孙兵研究组、陈化兰研究组合作进行了深入研究。

丁建平研究组的博士研究生王文帅等人对全人广谱中和抗体3E1进行了结构和功能研究。亲和力实验表明3E1对H1和H5亚型血球凝集素具有较高亲和力,微中和实验进一步验证了3E1具有对H1和H5亚型流感病毒的广谱中和能力。在小鼠模型上的预防和治疗实验也表明3E1能够在体内发挥中和H1N1和H5N6亚型流感病毒的效果。3E1的Fab与血球凝集素复合物的晶体结构表明,3E1通过重链和轻链的互补决定区识别血球凝集素颈部的构象表位,包括融合亚结构域、融合肽和外缘β折叠。基于抗原表位和识别角度的分析,可以将已发现的广谱性抗体分为两类,类型一特异性识别融合亚结构域,类型二特异性识别融合肽和外缘β折叠,两类抗体识别抗原的角度相差约65度。3E1的识别角度位于类型一和类型二抗体之间,并且抗原表位也是两类抗体识别表位的组合,表明3E1识别了一种独特的表位。对H1和H5亚型血球凝集素序列比对结果表明,3E1识别表位氨基酸在H1和H5亚型中严格保守,揭示了3E1广谱中和能力的基础;突变体实验也阐明了3E1对其他亚型有限中和能力的原因,并为3E1的改造奠定了良好的基础。进一步体外和体内功能分析表明,3E1通过抑制血球凝集素构象变化来抑制膜融合过程,达到中和流感病毒的效果。该研究不仅表明3E1具有应用于基于抗体的治疗方法的潜力,而且为基于结构的广谱疫苗开发提供了理论依据。

图1. 3E1中和H1和H5亚型流感病毒,识别血球凝集素颈部表位。a. 3E1识别H1和H5亚型血球凝集素。b. 3E1中和H1和H5亚型流感病毒。c. 3E1识别血球凝集素颈部表位。d. 3E1识别表位分为融合亚结构域(青)、融合肽(红)和外缘β折叠(绿)。e. 3E1识别角度位于两种广谱中和抗体之间。f. 3E1与类型一抗体识别表位50%以上重叠(蓝)。g. 3E1与类型二抗体识别表位50%以上重叠(蓝)。

原文链接:

Human antibody 3E1 targets the HA stem region of H1N1 and H5N6 influenza A viruses

原文摘要:

As influenza A viruses remain a major threat to human health worldwide, the discovery of broadly neutralizing monoclonal antibodies that recognize conserved epitopes would facilitate the development of antibody-based therapeutic strategies. Here we report that a VH4-4-encoded human mAb named 3E1 could neutralize H1 and H5 subtype viruses in vitro and protect mice against the H1N1 and H5N6 viruses by inhibiting the low pH-induced conformational rearrangement of haemagglutinin (HA), hence blocking membrane fusion. The crystal structures of 3E1 Fab in complex with HA of two H1N1 strains reveal that 3E1, with both heavy and light chains, binds to a conserved epitope of the HA stem region, comprising parts of the fusion peptide, the F subdomain and the outermost β-strand preceding helix A. Altogether, these data suggest the potential of 3E1 as a therapeutic drug against H1 and H5 subtype viruses.

来源: Nature Communications 浏览次数:0

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