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近日，中國科學院武漢病毒研究所/病毒學國家重點實驗室李峰研究員團隊在國際學術期刊ACS Nano在線發表了一項題為“Transformation of a Viral Capsid from Nanocages to Nanotubes and Then to Hydrogels: Redirected Self-Assembly and Effects on Immunogenicity”的研究工作。該研究實現了病毒衣殼蛋白組裝體從籠形到管狀、再進一步到納米管水凝膠的轉變，并揭示了這種納米形態轉變帶來的免疫學效應。
不同形態往往能賦予生物系統差異化的功能。生物大分子自組裝是生物結構、機器乃至系統形態發生的主要途徑之一，病毒是其中的典型代表。天然病毒衣殼存在兩種基本形態，即正二十面體對稱的球形和螺旋對稱的棒狀。病毒衣殼蛋白可自組裝形成病毒樣顆粒（virus-like particles ，VLPs），廣泛應用于生物醫藥、材料學等不同領域。當前VLP的應用與研究都是基于上述兩種形態。如果能操控VLP自組裝獲得其它形態的結構，則可能賦予其更優異的性質或全新的功能。例如，感染人類和動物的病毒絕大多數都是球形，已獲臨床應用的VLP疫苗更是只有球形。如果球形VLP能轉換成其它形態，對其免疫原性將產生什么影響？
圍繞上述問題，李峰團隊與合作者以MS2 VLP為模式體系，借助分子動力學模擬，對組裝界面關鍵區域FG loop進行再設計，將70號位點突變為半胱氨酸，由其介導形成新的強相互作用（二硫鍵），打破天然正二十面體對稱軸附近界面作用力的同時，引導組裝單元（衣殼蛋白二聚體）形成一維結構。實驗證實，上述突變聯合46號位點突變（排除內源半胱氨酸潛在干擾），可使其球形納米籠結構完全轉變成超細雙螺旋納米管，平均長度約1 μm，外徑8.6 nm，內徑2.6 nm。高分辨冷凍電鏡結構顯示，突變蛋白的二級和三級結構與野生型幾乎相同，但FG loop柔性有差異，組裝單元形成了與野生型完全不同的排布模式。更有意思的是，70號位點突變成疏水性側鏈氨基酸也能形成類似的納米管，而突變成組氨酸則能獲得單螺旋納米管。進一步，在納米管表面75號位點引入半胱氨酸，可引發納米管交聯形成還原響應型凝膠塊體（圖1）。利用該可變形組裝體系，他們比較了納米籠、納米管和納米管凝膠三種不同形態對MS2衣殼蛋白免疫原性的影響：相比納米籠，納米管可顯著提升體液和細胞免疫應答水平，納米管凝膠雖不能顯著提升體液免疫應答水平，但能大大提升CD8+ T細胞的細胞因子分泌水平和細胞的殺傷功能（圖2）。該工作獲得了首個多層級、可變形的VLP自組裝體系，揭示了組裝形態對病毒衣殼蛋白免疫原性的重要影響，為納米疫苗和其它功能蛋白納米材料的設計提供了新思路。
武漢病毒所博士研究生楊夢思、饒桂波博士和復旦大學李龍博士為該論文共同第一作者；武漢病毒所李峰研究員、曹晟研究員和復旦大學陳國頌教授為論文共同通訊作者；深圳理工大學張先恩研究員、上海大學魏濱教授等參與了此項研究。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、武漢市知識創新專項、武漢市重大科技專項等項目的支持。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c01969
圖1. MS2衣殼蛋白組裝體由籠形到管狀再到凝膠的形態操控。
圖2. 納米組裝形態顯著影響MS2病毒衣殼蛋白的免疫應答。CPWT，納米籠；CPC46A/Q70C，納米管；CPC46A/Q70C/V75C，納米管凝膠。