IT思维

公众号/ ScienceAI（ID：Philosophyai）

编辑 | 萝卜皮

引起儿童流行性肠胃炎的 A 组和 C 组轮状病毒中刺突蛋白 VP4 的 VP8* 结构域表现出保守的半乳凝素样折叠，用于在细胞进入过程中识别聚糖。在 B 组轮状病毒中，它在成人中引起严重的腹泻暴发，VP8* 结构域 (VP8*B) 令人惊讶地与 A 组或 C 组轮状病毒的 VP8* 缺乏序列相似性。

贝勒医学院的研究人员，通过使用最近开发的 AlphaFold2 进行从头算结构预测，并通过确定 1.3-Å 晶体结构来验证预测模型，表明 VP8*B 表现出不同于半乳凝素折叠的新结构。

这种具有 β-折叠夹住 α-螺旋的折叠代表了基于聚糖阵列筛选的聚糖识别的新折叠，这表明 VP8*B 识别含有 N-乙酰乳糖胺部分的聚糖。尽管不明显，但该研究说明了进化如何在同一病毒属的同源蛋白中结合结构上不同的折叠具有相似的功能。

该研究以「Novel fold of rotavirus glycan-binding domain predicted by AlphaFold2 and determined by X-ray crystallography」为题，于 2022 年 5 月 5 日发布在《Communications Biology》。

背景

轮状病毒是属于呼肠孤病毒科的无包膜二十面体双链 RNA (dsRNA) 病毒。这些病毒表现出巨大的遗传和血清学多样性。根据衣壳蛋白 VP6 的序列和抗原差异，它们分为十个不同的物种或组（A-J）。A、B、C 和 H 组轮状病毒感染人类和动物。在流行病学上，A、B 和 C 组的特征最为明显。

图示：使用 AlphaFold2 从头开始对人类 B 组轮状病毒 VP8* 建模揭示了一个新的折叠。（来源：论文）

虽然 A 组轮状病毒（RVA）和 C 组轮状病毒（RVC）在较小程度上是世界范围内大多数胃肠道感染的病原体，但B组轮状病毒（RVB）与中国严重胃肠炎的大规模流行疫情和几个国家的散发感染有关。

与主要感染幼儿的 RVA 不同，RVB 主要在成人中引起类似霍乱的严重腹泻，尽管儿童也可能被感染。已在美国、加拿大和英国等发达国家的人群中检测到 RVB 抗体，这表明 RVB 的流行范围更广。RVB 还感染动物，最近发现仔猪和小马驹中爆发出血性腹泻，便是它导致的；这造成了重大的经济影响，并构成潜在的人畜共患病传播的威胁。

考虑到这些轮状病毒具有分段的 dsRNA 基因组，具有通过共同感染和突变的基因重排来进化的倾向，因此出现可能导致严重流行病的新变体的可能性不容小觑。一个典型的例子是当前由 SARS-CoV-215 引起的全球 COVID-19 大流行。

与迄今为止表征最好的 RVA 和 RVC 一样，RVB 的基因组由编码 11 种蛋白质的 11 个 dsRNA 片段组成。RVA 的冷冻电镜重建表明，VP4 三聚体形成 60 个突出的尖峰，附着在三层衣壳的外 VP7 和中间 VP6 层上。VP4 的蛋白水解处理显着增强了感染性，产生了两个片段，VP8* 和 VP5*，它们仍然与病毒体相关。不同轮状病毒组编码的结构蛋白序列比较表明，刺突蛋白VP4的VP8*结构域变异最大。

当前有哪些问题有待解决？

广泛的结构研究表明，人类 RVA 和 RVC（VP8*A 和 VP8*C）的半乳凝素样 VP8* 以基因型依赖性方式识别各种细胞聚糖。人类 RVA 的 VP8* 通过识别不同的组织血型抗原 (HBGA) 表现出基因型依赖性聚糖特异性。对 HBGA 的差异识别为为什么一些 RVA 特异性感染新生儿、一些引起散发性暴发而另一些感染更广泛人群提供了可能的理由。与 VP8*A 和 VP8*C 不同，VP8*B 的结构及其聚糖特异性尚未得到表征。VP8*B 与 VP8*A 或 VP8*C 没有序列同一性，这不仅会影响结构，还会影响聚糖结合特性。

通过AlphaFold2解决了什么？

在这里，研究人员通过使用最近开发的 AlphaFold2 预测的模型来确定 VP8*B 的晶体结构，表明 VP8*B 显示出一个折叠，带有一个扭曲的 β-片，夹住一个与 VP8*a 或 VP8*C 完全不同的 α-螺旋。

他们的聚糖阵列筛选和计算机对接分析显示 VP8*B 识别含有 N-乙酰乳糖胺的聚糖，这说明病毒如何通过结合具有相似功能的结构不同的模块来进化。

图示：晶体结构 VP8*B。（来源：论文）

有哪些值得思考的问题？

尽管在进化压力下，病毒家族中同一属的功能同源蛋白在保守的多肽折叠内产生突变是很常见的，但它很少进化成采用完全不同的折叠。RVB 的 VP8* 结构域就是这种情况，它采用了一种新的折叠，与 RVA 和 RVC 的 VP8* 中保守的半乳凝素样折叠没有任何相似之处。所有这些病毒都会感染各种哺乳动物，包括引起严重腹泻爆发的人类。

然而，不同之处在于 RVA 和 RVC 主要感染 5 岁以下的儿童，而 RVB，也称为成人腹泻轮状病毒 (ADRV)，主要感染成年人。

目前尚不清楚这种区别是否单独解释了 VP8*B 的这种独特折叠。它可能代表了与 RVA 和 RVC 不同的祖先动物起源的平行进化。AlphaFold2 表明这种新颖的折叠在其他 RVB 菌株中也是保守的。

图示：VP8*B 的聚糖阵列和所选聚糖的分子对接。（来源：论文）

尽管有新的折叠，但根据聚糖筛选研究，VP8*B 可能与 RVA 和 RVC 的 VP8* 相似，通过识别肠道中的特定聚糖来保留介导初始细胞附着的相同功能。虽然 LacNAc 是人类和动物肠道中常见的聚糖之一，但 VP8*B 对这种聚糖的特异性的重要性需要进一步的基于感染性的研究，目前由于 RVB 尚不利于细胞培养，因此这些研究很困难。

图示：VP8*B 晶体结构与 AlphaFold2 预测的结构比较。（来源：论文）

研究人员强调， AlphaFold2 预测 VP8*B 折叠的准确性，为结构确定提供了 MR 搜索模型。除了整体折叠外，AlphaFold2 与实验结构相比，还高精度地预测了侧链方向。研究人员认为，通过提供部分或完整的 MR 搜索模型，来快速确定那些没有合适同源结构的蛋白质的结构，这种准确的从头算预测将成为结构生物学家的一项资产。

除了 VP8*B 结构外，AlphaFold2 预测 VP5*B 具有与 VP5*A 相似的 β – 折叠，表明该区域可能保守。然而，AlphaFold2 不能很好地预测足部区域，这与 RVA 中一样可能受到三聚体性质和与 RVB 中外层蛋白的潜在相互作用的影响。进一步验证 RVB 中 VP4 尖峰的 VP5* 区域需要冷冻 EM 结构确定，这必须等待 RVB 的成功细胞培养适应。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-022-03357-1

相关报道：https://phys.org/news/2022-06-artificial-intelligence-reveals-never-before-3d.html