eLife：突变的“外壳”使这种致命脑病毒无法被抗体中和，从而增加感染大脑的概率

2020

11/27

生物世界

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体液免疫反应对控制急性和持续性病毒感染至关重要，中和抗体(nAb)反应的逃避往往是病毒介导的发病率和死亡率的基础。

撰文 | Andy

编辑 | 王聪

排版 | 水成文

体液免疫反应对控制急性和持续性病毒感染至关重要，中和抗体 (nAb) 反应的逃避往往是病毒介导的发病率和死亡率的基础。甲型流感病毒亚型的血凝素和神经氨酸酶衣壳蛋白发生突变，阻碍了病毒特异性抗体的中和作用，因此需要进行季节性流感疫苗接种。

引起持续感染的病毒也获得了能够规避nAbs的突变，人体病毒由相当数量的持久性病毒组成，其致病性受到健康的适应性免疫系统的抑制。进行性多灶性脑白质病 （PML）患者的JC多瘤病毒 (JCPyV) 中，主要病毒衣壳蛋白VP1的突变是常见的，但它们是否具有神经毒性或逃避体内的病毒中和抗体 (nAb) 尚不清楚。

近日， Aron Lukacher 和Susan Hafenstein共同领导的一个研究小组，利用高分辨率显微镜研究了鼠多瘤病毒 (MuPyV) 的衣壳。该病毒是JC多瘤病毒 (JCPyV) 的遗传模型，JCPyV在大多数人群中存在且无害，可在接受免疫抑制治疗的人群中引起进行性多灶性脑白质病（PML）。该研究以： Antibody escape by polyomavirus capsid mutation facilitates neurovirulence 为题，发表于 eLife 杂志。

研究人员在MuPyV的衣壳中引入了一种类似于JCPyV的基因突变，并进行了一系列实验来比较MuPyV和改变后的病毒之间的结果。病毒通过将一种用于制造衣壳的化学成分氨基酸替换成另一种氨基酸而发生变异。团队使用冷冻电子显微镜来确定与单克隆抗体结合的病毒粒子的三维原子分辨率结构，检查了结构特征。他们发现， 衣壳突变阻止了单克隆抗体与病毒相互作用，增加了当患者免疫受到抑制时病毒感染大脑的几率。

在本研究中，研究团队阐明了MuPyV VP1突变对病毒趋向性和抗体中和的影响，得出了JCPyV衣壳突变与PML发病的机制联系。应用自定义的亚粒子细化方法重建高分辨率的本地衣壳的低温电镜图像：抗体复合物。该结构揭示了VP1抗体规避的机制。使用VP1突变与JCPyV-PML中频繁的VP1突变匹配的MuPyV，他们发现这种病毒变异保留了对中枢神经系统的向性，但在肾脏中复制的能力严重受损，肾脏是持续多瘤病毒感染的主要器官库。该突变通过空间位阻阻断了MuPyV VP1单克隆抗体的中和作用。数据支持了回避VP1抗体反应促进了JCPyV变异的增殖，从而导致中枢神经系统损伤。

亚粒子细化允许快速解决任何多瘤病毒地图的最高分辨率低温电子显微镜结构，改进可能归因于衣壳的灵活性和延伸到45 nm直径衣壳上的离焦梯度。奇怪的是，光学像差校正和埃瓦尔德球面效应仅提高了二十面体平均的MuPyV衣壳图的分辨率，而不是MuPyV- fab复杂图。MuPyV的亚粒子改进所带来的分辨率提高与光学改进所带来的分辨率提高是等同的，但这些改进并不是累积的。相比之下，经过子粒子细化后，MuPyV-Fab复杂贴图得到了改进。由于光学参数的细化是一个以参考为基础的过程，因此，360份Fab的灵活性可能成为解决和纠正光学像差的障碍。

几种因素可能导致8A7H5单抗具有较强的中和活性，因为8A7H5表位连接每个衣壳内邻近的VP1分子，8A7H5结合可以稳定病毒并防止脱衣。病毒上VP1的R77与抗体残基D99之间形成的盐桥模拟了R77与宿主细胞受体唾液酸部分的相互作用。360个拷贝的8A7H5 Fab之间没有空间冲突，导致Fab排列整齐紧凑。值得注意的是，由于整个抗体的大量存在，这种包装不太可能在体内发生。

VP1突变体JCPyVs出现在PML患者而非健康个体中，这说明具有这些突变体的病毒在免疫状态低下的情况下具有复制优势。VP1的四个受体结合环的突变通常对病毒的适应度和持久性有害，而数据显示，MuPyV VP1突变体的取向改变明显与这一观点一致。宿主抗体的逃避提供了一个强大的选择压力，以促进传播，否则复制不利的突变。这种情况的实验证明来自证据表明突变体A2。V296F病毒在血液和大脑中强于亲代A2病毒，但在面对A2- nab时仍很难进入尿液。数据与最近的报告一致，这些报告显示PML患者的血清对VP1突变体JCPyVs的中和效果不佳，并表明VP1突变体的选择是由足以控制亲代病毒而非VP1突变病毒的抗体反应驱动的。因此，研究结果表明，JCPyV为了逃避体液免疫，降低了病毒的适应度。

利用MuPyV中枢神经系统感染模型，证明逃避宿主中和抗病毒体液反应是VP1突变病毒保留中枢神经系统趋向性的主要驱动因素。他们开发了一种自定义的亚粒子细化方法，以最高分辨率重建多瘤病毒外壳- fab复合物的低温电子显微镜结构。这些结构阐明了中和和抗体逃逸的机制，发现反驳了VP1突变本身作用使JCPyV具有神经毒性的观点。相反，该工作支持了病毒血症是PML发病的一个关键步骤的模型，而病毒血症是抗体逃逸VP1变异的结果。

该研究的通讯作者 Aron Lukacher 表示，还需要进行更多的研究来确定JCPyV的哪些突变导致病毒逃避抗体。研究的目标是对接受免疫调节疗法的多发性硬化症患者，以及那些因癌症和艾滋病而免疫功能受损的患者进行筛查，以确定哪些人可能会增加患PML的风险。

论文链接：

https://doi.org/10.7554/eLife.61056.