定制冠状病毒受体的设计

Design of customized coronavirus receptors

作者信息Peng Liu, Mei-Ling Huang, Hua Guo, Matthew McCallum, Jun-Yu Si, Yuan-Mei Chen, Chun-Li Wang, Xiao Yu, Lu-Lu Shi, Qing Xiong, Cheng-Bao Ma, John E Bowen, Fei Tong, Chen Liu, Ye-Hui Sun, Xiao Yang, Jing Chen, Ming Guo, Jing Li, Davide Corti, David Veesler, Zheng-Li Shi, Huan Yan
PMID39478224
期刊Nature
发布时间2024-11
DOI10.1038/s41586-024-08121-5

实验完整度

高

该研究包含多层级实验验证,包括分子构建、体外细胞感染、伪病毒进入、活病毒拯救与分离、CryoEM结构解析及体内外功能验证。

主要模型

HEK293T细胞稳定表达各种CVR Caco2细胞稳定表达CVR Huh-7细胞用于RsHuB2019A扩增 BHK-21细胞用于VSV重组病毒拯救

重点核对

CVR表达水平及细胞表面定位(通过Western blot和免疫荧光) CVR与SARS-CoV-2 RBD或S蛋白的结合效率(流式细胞术) SARS-CoV-2假病毒进入效率(RLU或GFP) 活病毒(SARS-CoV-2、229E、MHV-A59、RsHuB2019A、HKU5)感染效率 细胞-细胞融合能力(DSP法)

摘要

Although coronaviruses use diverse receptors, the characterization of coronaviruses with unknown receptors has been impeded by a lack of infection models1,2. Here we introduce a strategy to engineer functional customized viral receptors (CVRs). The modular design relies on building artificial receptor scaffolds comprising various modules and generating specific virus-binding domains. We identify key factors for CVRs to functionally mimic native receptors by facilitating spike proteolytic cleavage, membrane fusion, pseudovirus entry and propagation for various coronaviruses. We delineate functional SARS-CoV-2 spike receptor-binding sites for CVR design and reveal the mechanism of cell entry promoted by the N-terminal domain-targeting S2L20-CVR. We generated CVR-expressing cells for 12 representative coronaviruses from 6 subgenera, most of which lack known receptors, and show that a pan-sarbecovirus CVR supports propagation of a propagation-competent HKU3 pseudovirus and of authentic RsHuB2019A3. Using an HKU5-specific CVR, we successfully rescued wild-type and ZsGreen-HiBiT-incorporated HKU5-1 (LMH03f) and isolated a HKU5 strain from bat samples. Our study demonstrates the potential of the CVR strategy for establishing native receptor-independent infection models, providing a tool for studying viruses that lack known susceptible target cells.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
如何设计功能性定制病毒受体(CVR)以替代天然受体支持多种冠状病毒的进入和感染?
核心机制
CVR通过特异性结合病毒刺突蛋白,诱导刺突蛋白构象变化(如RBD开放和S2'位点暴露),促进膜融合和病毒进入。
主要证据
通过模块化设计构建CVR,验证了其对多种冠状病毒(包括SARS-CoV-2、MERS-CoV、HKU1、HKU3、HKU5等)的进入支持效率,并利用CryoEM解析了S2L20-CVR与SARS-CoV-2 S蛋白的结构,揭示了NTD介导的RBD开放机制。
研究意义
该策略为缺乏天然受体的冠状病毒提供了非天然受体的感染模型,有助于病毒分离、培养、中和抗体评估及抗病毒药物筛选,为未来新发病毒的研究提供技术平台。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

CVR模块化设计

验证是否可以替换ACE2的头部结构域并保持受体功能,探索关键模块。

构建LCB1-ACE2嵌合体,逐步截短ACE2序列,或替换为其他蛋白的间隔区、跨膜域和胞内域,并在HEK293T细胞中评估表达、RBD结合和假病毒进入。

2

CVR功能验证

验证CVR能否支持SARS-CoV-2进入和膜融合,及其与天然受体的比较。

在HEK293T细胞中表达CVR,测定假病毒进入、细胞-细胞融合、活病毒感染,并比较不同受体(ACE2、CVR)的效率。

3

CVR结合表位映射

探究CVR功能与结合表位的关系,确定有效VBD的特征。

构建44种scFv-CVR,靶向不同中和表位,测试假病毒进入效率,并用结构生物学方法(CryoEM)解析S2L20结合S的结构。

4

CVR泛化性验证

验证CVR策略能否应用于多种冠状病毒,包括缺乏已知受体的病毒。

为12种冠状病毒设计纳米抗体VBD,构建CVR,在HEK293T或Caco2细胞中测试假病毒进入、膜融合、活病毒扩增(如HKU5)和病毒分离。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

验证样本或模型特征
验证分子表达变化
验证免疫效应
验证机制链路
数据分析与统计

产品清单

实验环节名称品牌货号
DMEM培养基Monad--
胎牛血清----
转染试剂BiomedTG101
蛋白A/G琼脂糖Thermo Scientific20424
Strep-Tactin XT树脂IBA2-5030-002
PVDF膜----
抗FLAG抗体Sigma-AldrichF1804
抗HA抗体MBLM180-3
抗VSV-M抗体KerafastEB0011
抗β-微管蛋白抗体ImmunowayYM3030
抗GAPDH抗体AntGeneANT325
HRP标记二抗----
CytoFLEX流式细胞仪Beckman--
Hoechst 33342染料----
One-Glo-EX底物Promega--
GloMax 20/20发光检测仪Promega--
EnduRen活细胞底物PromegaE6481
Expi293F细胞Thermo Fisher Scientific--
Expi293表达培养基Thermo Fisher Scientific--
ExpiFectamine 293转染试剂盒Thermo Fisher Scientific--
HiTrap TALON粗纯化柱Cytiva--
Titan Krios透射电镜FEI--
Vitrobot MarkIVThermo Fisher Scientific--
UltraFoil网格----
病毒DNA/RNA提取试剂盒VazymeRM501
C1000 Touch热循环仪/CFX96实时系统Bio-Rad--
Talos L120C透射电镜Thermo Fisher--
GeneTwin转染试剂BiomedTG101-01
Pierce蛋白A/G琼脂糖Thermo Scientific20424
聚凝胺----
抗VSV-G抗体----
胰蛋白酶Sigma-AldrichT4549
TPCK处理的胰蛋白酶Sigma-AldrichT8802

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞培养
HEK293T (CRL-3216), Vero E6 (CRL-1586), Caco2 (HTB-37) 等细胞系购自ATCC,Huh-7 (SCSP-526) 来自中科院细胞库;培养基为DMEM+10%FBS,添加或不添加青霉素/链霉素。
阅读提示:Methods - Cell lines
蛋白表达
重组蛋白在HEK293T中瞬时转染表达,使用GeneTwin试剂;纯化使用Protein A/G或Strep-Tactin树脂;详细缓冲液和条件见Methods。
阅读提示:Methods - Recombinant protein expression and purification
假病毒进入实验
VSVΔG假病毒携带GFP和荧光素酶;靶细胞5×10^4/孔,假病毒约1×10^6 TCID50/mL;感染后16-20小时检测RLU或GFP。
阅读提示:Methods - VSV pseudovirus entry and inhibition assay
活病毒感染
229E在Huh-7中扩增,MHV-A59在Neuro2a中扩增;RsHuB2019A和HKU5在Caco2-CVR细胞中感染;感染后收集上清测RNA拷贝数。
阅读提示:Methods - Authentic coronavirus infection assays
CryoEM结构解析
S2L20 Fab与SARS-CoV-2 S蛋白孵育条件(37°C 15分钟),CryoEM数据收集和处理的详细参数见Methods。
阅读提示:Methods - CryoEM sample preparation and data collection