Nature：嚴(yán)歡團(tuán)隊(duì)首次提出人工設(shè)計(jì)病毒受體

        武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/病毒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)歡團(tuán)隊(duì)、廣州實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院武漢病毒研究所石正麗團(tuán)隊(duì)以及華盛頓大學(xué)David Veesler團(tuán)隊(duì)合作在國際頂級期刊Nature 在線發(fā)表了題為 Design of customized coronavirus receptors 的研究論文（Article）。嚴(yán)歡團(tuán)隊(duì)首次提出“定制化病毒受體（CVR）”的概念，旨在不依賴天然受體的條件下構(gòu)建易感細(xì)胞模型?；谠摷夹g(shù)，嚴(yán)歡團(tuán)隊(duì)為多種冠狀病毒成功設(shè)計(jì)了功能性人工受體，并通過合作深入探索了人工受體發(fā)揮功能的機(jī)制及其多方面的應(yīng)用價(jià)值。

        該設(shè)計(jì)策略采取類似于“樂高積木”的模塊化設(shè)計(jì)思路，將完整受體分解為“病毒結(jié)合域（VBD）”與“人工受體框架（ARS）”兩部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。通過截取天然受體的多種結(jié)構(gòu)與功能模塊并重組得到具有一定兼容性的ARS，通過抗體改造、文庫篩選、蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)等手段獲得靶向特定表位的VBD作為特異性模塊，最終通過分子嫁接生成候選受體。

        嚴(yán)歡團(tuán)隊(duì)從新冠病毒受體ACE2出發(fā)，通過不斷截短、替換ACE2序列，發(fā)現(xiàn)受體可以被完全替換為不含任何ACE2序列的人工受體分子，并通過一系列生化與分子生物學(xué)手段揭示了影響受體功能性的關(guān)鍵因素，開發(fā)了一套適用于冠狀病毒的人工受體模塊化設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上，研究人員通過對新冠病毒Spike蛋白的多種結(jié)合表位進(jìn)行系統(tǒng)性測試，揭示了人工受體所識別的表位對受體功能性的重要影響，并闡明了其分子機(jī)制。值得一提的是，嚴(yán)歡團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一種結(jié)合新冠病毒NTD特定表位的人工受體（S2L20-CVR），意外地可以通過結(jié)合經(jīng)典的CTD受體結(jié)合域（RBD）之外的區(qū)域發(fā)揮功能，通過與David Veesler團(tuán)隊(duì)合作，揭示了這一特殊的功能性受體通過一種類似于“分子棘輪”的機(jī)制強(qiáng)制三個(gè)CTD結(jié)構(gòu)域處于“開放”構(gòu)像，進(jìn)而發(fā)揮功能。這意味著SARS相關(guān)冠狀病毒完全有能力利用NTD結(jié)合受體并實(shí)現(xiàn)有效入侵。此外，嚴(yán)歡團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，結(jié)合鼠肝炎冠狀病毒（MHV）Spike蛋白 CTD結(jié)構(gòu)域的人工受體也具有良好的受體功能性，這說明盡管MHV利用NTD識別其天然受體CEACAM1a，其CTD仍然保有充當(dāng)RBD的能力。這些發(fā)現(xiàn)表明冠狀病毒Spike蛋白可以兼容多種方式激活其融合機(jī)器并介導(dǎo)病毒入侵。

        嚴(yán)歡團(tuán)隊(duì)通過納米抗體噬菌體文庫淘選的手段獲取了一系列特異性病毒識別模塊，成功為來自6個(gè)不同亞屬的12種冠狀病毒設(shè)計(jì)了人工受體，其中多種病毒天然受體仍不明確。團(tuán)隊(duì)基于外源表達(dá)人工受體的工程化細(xì)胞，利用病毒膜融合實(shí)驗(yàn)、假病毒入侵實(shí)驗(yàn)以及可擴(kuò)增型VSV嵌合病毒感染實(shí)驗(yàn)等手段驗(yàn)證了受體功能性。通過與石正麗團(tuán)隊(duì)合作，CVR感染模型成功實(shí)現(xiàn)了HKU5等冠狀病毒的分離培養(yǎng)。這些工作為冠狀病毒基礎(chǔ)研究與抗病毒藥物研發(fā)提供了具有重要價(jià)值的感染模型資源。 

       綜上，該研究通過模塊化設(shè)計(jì)思路，開發(fā)出一套兼容性、可拓展的人工病毒受體設(shè)計(jì)策略，成功實(shí)現(xiàn)了多種冠狀病毒功能性受體的定制化設(shè)計(jì)。盡管本研究以冠狀病毒為主要研究對象，理論上該策略也可以為其他自然存在的病毒設(shè)計(jì)受體，但實(shí)現(xiàn)最佳受體功能的難度可能因病毒而異。通過為一些受體未明且缺乏感染模型的病毒設(shè)計(jì)人工受體，有望突破病毒學(xué)研究瓶頸，促進(jìn)相關(guān)病毒感染致病機(jī)制的基礎(chǔ)研究以及疫苗與抗病毒藥物的開發(fā)。