解開埃博拉病毒感染的密碼

佘惠敏

早在今年1月15日，中國科學院院士高福就完成了他2004年歸國后在生物醫(yī)學類五大頂級學術(shù)期刊發(fā)布成果的“大滿貫”目標。

這一天，國際權(quán)威學術(shù)期刊《細胞》（Cell）發(fā)表了中科院微生物研究所高福團隊的文章，從分子水平闡釋了埃博拉病毒的膜融合激發(fā)機制，該機制與此前病毒學家們熟知的四種病毒膜融合激發(fā)機制都大為不同，成為第五種病毒膜融合激發(fā)機制，這是近年來國際病毒學領(lǐng)域的重大突破。

目前埃博拉治療沒有特異性藥物，只有輔助藥物。而新機制的發(fā)現(xiàn)為抗埃博拉病毒的藥物設(shè)計提供了新靶點，讓我們可能設(shè)計出治療埃博拉的特異性藥物。

那么，高福團隊如何解開埃博拉病毒感染的密碼？

做“表面文章”的實驗室

埃博拉，被認為是人類歷史上最致命的病毒，自1976年在埃博拉河地區(qū)被首次發(fā)現(xiàn)后，就在非洲時隱時現(xiàn)，所到之處哀鴻遍野，足足肆虐了近40年。2014年，埃博拉病毒更是首次走出非洲大陸，傳播到北美、西歐和南亞，引發(fā)了全世界的恐慌。那次疫情共導(dǎo)致了28000多人感染，死亡人數(shù)達到11000多人。

那年9月，高福作為首批援塞醫(yī)療隊的負責人之一，奔赴疫情嚴重的塞拉利昂，幫助西非國家從源頭上防控埃博拉病毒。工作期間，他在《科學》雜志上發(fā)表了題為“行走在塞拉利昂大地上”的現(xiàn)場工作紀實文章，后來又在《自然》雜志上發(fā)表關(guān)于埃博拉病毒基因進化的重大研究成果。

這是高福第一次深入埃博拉病毒疫區(qū)，但他對埃博拉病毒的研究，從2011年就已經(jīng)開始了。

接受《經(jīng)濟日報》記者采訪時，高福開玩笑說，自己開了一個專做“表面文章”的實驗室。

在動物細胞的表面，有一層細胞膜，它是生命的防線，阻擋病毒的進入。但細胞膜上也有“帶路黨”，它們被稱作●受體，是細胞表面的蛋白質(zhì)分子。聰明的病毒會利用細胞表面分子的包裹，給自己穿上“迷彩服”，突入細胞防線并增殖產(chǎn)生新的病毒蛋白。被病毒感染的細胞，向上報告“我被感染了，請向我開炮”，生物體就會派出“警察部隊”，也就是免疫細胞，來消滅被感染細胞。

要弄清楚病毒是怎么進入細胞里的，就要深入研究細胞的表面——這就是高福實驗室做的“表面文章”。高福解釋說，“病毒和細胞之間、免疫細胞和被感染細胞之間的界面上到底發(fā)生了哪些相互作用，它們是如何互相識別的，又是怎樣進行‘對話的，就是我們正在探索的問題。”

研究“表面文章”，自然需要有“表面”，所以高福研究的對象是囊膜病毒。病毒可分為囊膜病毒和非囊膜病毒兩大類。囊膜病毒的表面有糖蛋白、脂肪所形成的外膜。帶有囊膜的病毒更容易進入宿主細胞，它幫助病毒在宿主體內(nèi)擴散與繁殖，提高了病毒的致病性。

做“表面文章”的實驗室當然不止高福一家。事實上，多年來科學家們潛心研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了四種類型的病毒如何感染細胞的“表面文章”。

扒開埃博拉的“迷彩服”

“我們在全世界第一個闡明了埃博拉病毒與內(nèi)吞體里的受體相互作用機制。”高福說，埃博拉病毒的特殊之處在于，以前發(fā)現(xiàn)的四類病毒，要么不結(jié)合特異性受體，要么在細胞膜上結(jié)合受體，而埃博拉不在細胞膜上結(jié)合受體，卻在細胞內(nèi)部，在內(nèi)吞體膜上結(jié)合受體。

埃博拉病毒的入侵分為兩步。

第一步是埃博拉病毒如何牢牢吸附在人體細胞表面。

這一步的分子機制是高福團隊率先發(fā)現(xiàn)的。他們發(fā)現(xiàn)，廣泛分布于免疫細胞上的一種免疫分子——人TIM分子，不與埃博拉病毒囊膜表面糖蛋白直接發(fā)生相互作用，而是通過結(jié)合病毒囊膜上的磷脂酰絲氨酸分子PS來促進病毒感染，并闡明其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。2015年12月，我國頂級中文科技期刊《科學通報》以封面文章發(fā)布了這一成果。

第二步是埃博拉病毒通過細胞內(nèi)吞進入細胞內(nèi)部，形成內(nèi)吞體，在內(nèi)吞體內(nèi)，病毒發(fā)生膜融合過程，釋放自身遺傳物質(zhì)。

此前，已有科學家研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)吞體膜上的NPC1分子是埃博拉病毒入侵所必需的，但是NPC1分子如何介導(dǎo)病毒入侵卻一直是個未解之謎。

NPC1分子是負責膽固醇轉(zhuǎn)運的多次跨膜蛋白，具有A、C、I三個大的腔內(nèi)結(jié)構(gòu)域。高福團隊利用我國大科學裝置“上海光源”，對之進行解析發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵在C結(jié)構(gòu)域。

埃博拉病毒囊膜表面糖蛋白在內(nèi)吞體里經(jīng)過宿主蛋白酶的酶切處理，變成激活態(tài)糖蛋白，暴露出受體結(jié)合位點，來與NPC1分子的C結(jié)構(gòu)域發(fā)生相互作用，從而啟動后續(xù)的病毒膜融合過程，實現(xiàn)病毒的感染生活史。

研究團隊率先解析了NPC1分子的C區(qū)三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它具有一個由α螺旋和β折疊組成的球狀核心結(jié)構(gòu)域，和兩個突出來的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。隨后，研究人員解析出激活態(tài)糖蛋白與腔內(nèi)結(jié)構(gòu)域C的復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)域C主要利用兩個突出來的環(huán)狀結(jié)構(gòu)插入激活態(tài)糖蛋白頭部的疏水凹槽里，從而發(fā)生相互作用。

這一重大發(fā)現(xiàn)預(yù)示著，人們能夠針對激活態(tài)糖蛋白頭部的疏水凹槽，去設(shè)計小分子或多肽抑制劑，來阻斷埃博拉病毒的入侵過程。

進一步的分析發(fā)現(xiàn)，激活態(tài)糖蛋白與腔內(nèi)結(jié)構(gòu)域C結(jié)合后，會發(fā)生●構(gòu)象變化，使得糖蛋白的融合肽更容易暴露出來，插入內(nèi)吞體膜，從而啟動膜融合過程。

高福解釋說，NPC1是一把鑰匙，而糖蛋白GP就是一把鎖。當鑰匙捅開了鎖，埃博拉的感染過程就開始了。團隊對NPC1的解析，扒開了埃博拉的“迷彩服”，弄清了鑰匙的形狀和位置，也弄清了鑰匙開鎖的整個過程。

這個重大發(fā)現(xiàn)寫成論文后，高福團隊于2015年10月底把它投遞給美國的《細胞》雜志，12月23日雜志同意發(fā)表該文章。雜志編輯看出此發(fā)現(xiàn)的重要性，圣誕假期都不過了，加班加點弄出校正稿。“12月31日我就拿到校正稿，說是要在北京時間1月15日刊發(fā)。美國人民都急得不過圣誕假期了。”說起這篇論文得到的重視，高福很得意。

配一把堵鎖眼的“鑰匙”

走病毒的路，讓病毒無路可走。

這就是新機制的發(fā)現(xiàn)出爐之后，高福團隊的埃博拉特異性藥物設(shè)計思路。

“如果你能模擬這個鑰匙，未來就能開發(fā)出很多藥物。”高福說，藥物可以設(shè)計成鑰匙的形狀，在NPC1打開糖蛋白GP之前，就把鎖眼堵上，讓病毒無法在細胞內(nèi)打開。

這類藥物叫做競爭性抑制劑，公認的抗禽流感、甲型H1N1流感最有效藥物之一的達菲，就屬于●競爭性抑制劑。

“我們會和國內(nèi)其他實驗室合作，盡快完成藥物設(shè)計工作。”該篇論文的共同第一作者王寒、施一、宋健、齊建勛表示，實驗室已有設(shè)計多肽和小分子藥物的經(jīng)驗，目前正在跟國內(nèi)其他科研單位合作，希望由中國人最先篩選出治療埃博拉的特異性藥物。

“2014年爆發(fā)的埃博拉疫情，現(xiàn)在已經(jīng)平息了，但是我們和埃博拉的搏斗還沒結(jié)束。”高福說，最新研究發(fā)現(xiàn)，埃博拉病毒可以在男性康復(fù)患者的精液中存活至少九個月。這種罕見的急性病毒長期攜帶案例，給科學家們提出了新課題，它預(yù)示著埃博拉隨時可能死灰復(fù)燃，也意味著設(shè)計埃博拉特異性藥物的意義重大。

根據(jù)過去的經(jīng)驗，在分子層面針對病原進行精準打擊、直接作用于病毒的藥物，既能斷根治本，對人體的副作用也是最小的。現(xiàn)在，高福團隊的發(fā)現(xiàn)，讓人們有可能設(shè)計出這樣的埃博拉治療藥物。

科學無國界，病毒的泛濫也沒有國界。

為了防控疫病的發(fā)生，高福團隊多年來一直專注研究細胞表面，系統(tǒng)性地研究了包括H5N1、H7N9、甲型流感及新型蝙蝠流感在內(nèi)的不同亞型流感病毒，及新型冠狀病毒等多種囊膜病毒的蛋白與受體結(jié)合機制、病毒釋放及病毒耐藥機制，做出了一篇又一篇漂亮的“表面文章”，代表了這一領(lǐng)域研究的世界最高水平，發(fā)出了擲地有聲、不容忽略的中國聲音。

“這是長期積累的過程。中東呼吸綜合征暴發(fā)時，我們也很快發(fā)表成果。”高福說，“我們對埃博拉的研究成果很多，就算再來個新病毒‘馬博拉也一樣，只要是囊膜病毒，我們都可以解析，因為病毒研究平臺已經(jīng)建立。”

這個令人激動的新成果，也與我國這些年對基礎(chǔ)研究加大投入有關(guān)。高福在采訪中反復(fù)表示，如果沒有上海光源，這個工作不可能最先在中國做出來。

“以前我們的口號是與國際接軌，但接軌都是接在尾巴上，跟在別人后面。中國現(xiàn)在已經(jīng)成為世界GDP第二的大國，理應(yīng)擁有一批世界領(lǐng)先的成果，這些都離不開科研基礎(chǔ)設(shè)施和大科學裝置的建設(shè)。”高福希望中國進一步加強科研基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建立更多大科學裝置和先進實驗室，以推動更多更深入的科學基礎(chǔ)研究。“我們的實踐證明，基礎(chǔ)科研也可以延伸到社會，服務(wù)于國民。”