Science：饶子和/胡忠玉/王权团队揭开乙肝病毒表面抗原的神秘面纱

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撰文丨王聪排版丨水成文

据世界卫生组织（WHO）估计，全世界约有3亿人患有慢性乙型肝炎，每年因此导致的死亡人数超过80万，是当前面临的重大公共卫生挑战。


尽管有预防性疫苗，但乙型肝炎仍然是全球慢性肝炎、肝硬化和肝细胞癌的主要病因，目前的治疗方法只能有限地清除病毒，因此需要终身治疗。乙型肝炎病毒（HBV）表面抗原（HBsAg）对于乙型肝炎的诊断和预后至关重要，但其高分辨率结构以及其在病毒包膜上的组装方式一直难以捉摸。


2024年9月12日，上海科技大学/清华大学饶子和院士、中国食品药品检定研究院胡忠玉及上海科技大学王权等人在国际顶尖学术期刊 Science 上发表了题为：Inherent symmetry and flexibility in hepatitis B virus subviral particles 的研究论文。


该研究成功表征了乙型肝炎病毒（HBV）表面蛋白及其自组装体表现出的高度结构柔性，揭示了其在病毒颗粒表面形成多样寡聚形态的分子基础，提供了有关HBsAg如何组装成更高级的纤维以及如何与衣壳相互作用以形成病毒颗粒的见解。

揭开乙型肝炎致病因子的第一条线索是在60年前由 Baruch Blumberg 发现的一种神秘的血清蛋白——“澳大利亚抗原”。1970年，“澳大利亚抗原”被确定为乙型肝炎病毒（HBV）的结构成分，也就是乙型肝炎病毒表面抗原。同年，David Dane 发表了HBV直径为17-22纳米的球形和管形的亚病毒颗粒（SVP）以及直径为44纳米的传染性病毒颗粒（也叫做Dane颗粒）的电子显微镜照片。

HBV病毒在患者体内的三种形态，从左至右依次为Dane颗粒、管形亚病毒颗粒、小球形亚病毒颗粒

HBV病毒颗粒由一个含有DNA基因组的36纳米直径的二十面体核衣壳组成，核衣壳被嵌入表面抗原蛋白（HBsAg）的脂质膜包围。HBV的复制周期的特点是产生Dane颗粒和大量的非感染性SVP（这些非感染性SVP的数量甚至比Dane颗粒多10000倍），这些SVP被认为是是导致免疫耐受和慢性感染持续存在的诱饵。


乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）的表达源自一个开放阅读框（ORF），在N端编码三种长度不同的异构体：小（S-HBsAg）、中（M-HBsAg）和大（L-HBsAg）。S-HBsAg是感染性颗粒和亚病毒颗粒中主要的异构体，包含负责诱导自然感染和接种产生的保护性免疫的表位。它包含一个保守的C-末端S域，具有预测的四次跨膜螺旋结构。


S-HBsAg具有协调亚病毒颗粒和病毒颗粒包膜形态发生的固有能力。相比之下，M-HBsAg通过添加一个额外的糖基化PreS2域延长，而L-HBsAg进一步在M-HBsAg的基础上添加一个PreS1域。然而，在亚病毒颗粒中L-HBsAg和M-HBsAg的比例要低得多（只有痕量的存在）。


目前，尽管采用了分子、结构和生物化学等各种方法，但HBsAg或亚病毒颗粒（SVP）的高分辨率结构仍难以获得。


一些中等分辨率的结构模型是通过冷冻电镜、原子力显微镜和X射线衍射技术获得的。来自冷冻电镜研究的12-15Å分辨率重建模型表明，在转基因小鼠和酵母细胞中表达的22纳米的HBsAg SVP具有八面体对称性，这表明HBsAg SVP具有四重对称性。一项针对更小的SVP（直径为16-17纳米）的高分辨率（6.3Å）冷冻电镜重构研究也报告了其八面体对称性。


之前的研究显示，管形SVP具有从膜中伸出的刺突状结构，在膜平面上，HBsAg蛋白似乎是紧密排列的。而对HBV携带者血清中的22纳米直径的小球形SVP、管形SVP和44纳米直径的Dane颗粒的分辨率为30Å的冷冻电镜结构解析显示，天然状态下的小球形SVP和管形SVP上的HBsAg会折叠成表面突起，Dane颗粒上的HBsAg也是如此。这些研究表明，HBsAg在天然状态下的HBV病毒颗粒和亚病毒颗粒上都以一种普遍的、类似晶体的模式排列，尽管这些颗粒的整体结构可能是不规则的。


总的来说，HBV病毒颗粒和亚病毒颗粒是一个复杂的生物系统，由于表面蛋白HBsAg的一些固有特性而具有多种异质性。而它也是一个简单的系统，只包含脂质和单一的HBsAg蛋白。但理解这个简单的系统是如何产生多种大小不一的球形或管形物，同时又能与内部组织有序的二十面体核壳体相吻合的，一直是一大难点。


在这项最新研究中，研究团队分离出含有40和48个拷贝的乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）二聚体的两类球形颗粒，利用最新的冷冻电镜分析技术，解析了HBsAg的近原子分辨率结构（分辨率达3.7Å），HBsAg同源二聚体组装成具有D2-和D4-样准对称性的亚病毒颗粒，阐明了HBsAg的紧密堆叠规则和结构适应性，有助于解释这种单一的二聚体如何产生如此多不同的寡聚化形式。根据这些结果，研究团队进一步推测了这些球形结构如何扩展成众所周知的更大的管状结构。

这些发现为我们提供了有关HBsAg如何组装成更高级的纤维以及如何与衣壳相互作用以形成病毒颗粒的见解。这项研究结果及方法论可能有助于解决理解HBV病毒颗粒结构和组装过程中的剩余关键挑战，包括对不规则亚病毒颗粒（SVP）和完整的44纳米Dane颗粒的结表征（特别是涉及L-HBsAg和M-HBsAg成分），理解病毒受体的结合模式，以及阐明中和性和非中和性抗体的识别模式。

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