人星状病毒刺突蛋白劫持FcRn受体的结构机制揭示广谱抗病毒药物保守表位

《Cell Reports》：Structural hijacking of FcRn by human astrovirus spikes reveals conserved epitopes for broad-spectrum antivirals

本刊推荐：为解决人星状病毒（HAstV）感染缺乏靶向治疗策略的难题，Agrawal等开展了病毒刺突蛋白与新生儿Fc受体（FcRn）复合物的结构研究。通过晶体结构解析发现，HAstV通过保守的双相界面以pH耐受方式结合FcRn，中和抗体通过空间位阻阻断受体结合。该研究为开发广谱抗病毒药物和重新定位FcRn靶向疗法（如nipocalimab）提供了结构基础，对防治儿童胃肠炎具有重要意义。

　　

当谈及儿童病毒性胃肠炎的元凶，人星状病毒（Human Astrovirus, HAstV）可谓"隐形的冠军"。这种病毒在全球范围内是导致婴幼儿、老年人和免疫缺陷患者腹泻的重要病原体，但令人惊讶的是，科学界对其入侵宿主细胞的分子机制长期知之甚少。更严峻的是，随着临床观察的深入，HAstV还被发现可能引起脑膜炎、脑炎等肠外感染，凸显了其致病潜力的多样性。

问题的核心在于病毒如何打开宿主细胞的大门。直到最近，新生儿Fc受体（FcRn）才被确认为经典HAstV血清型的功能性受体，这一发现犹如找到了关键钥匙。FcRn原本以调控免疫球蛋白G（IgG）稳态而闻名，它在酸性内吞体（pH≤6.5）中结合IgG，在中性pH（7.4）时释放，从而延长抗体半衰期并促进上皮屏障的跨细胞转运。然而，HAstV如何精确地与FcRn相互作用，以及这种相互作用如何被中和抗体阻断，这些关键问题仍然笼罩在迷雾中。

为了揭开这一谜团，Scripps研究所的Agrawal团队在《Cell Reports》上发表了突破性研究。他们采用多学科交叉的研究策略，主要包括：使用人293细胞系表达并纯化重组HAstV刺突蛋白（血清型1、2、6、8）和FcRn胞外域；通过生物层干涉技术（BLI）定量分析结合动力学；利用X射线晶体学解析HAstV2和HAstV6刺突蛋白与FcRn的复合物结构（分辨率分别为3.07?和2.97?）；采用点突变和竞争性BLI实验验证关键结合残基的功能重要性。

经典HAstV刺突蛋白在生理pH范围内结合FcRn

研究人员首先通过BLI实验证实，四种经典HAstV血清型（1、2、6、8）的刺突蛋白均能以纳摩尔级亲和力与FcRn直接结合。与IgG严格依赖酸性pH（≤6.5）的结合模式不同，HAstV刺突蛋白在酸性（pH 6.0）和中性（pH 7.5）条件下都能保持结合能力，只是在酸性条件下亲和力更高（KD值降低4-20倍）。这种pH耐受性使HAstV能够在肠道内变化的pH环境中有效利用FcRn进行细胞附着和病毒入侵。

HAstV刺突蛋白对FcRn的识别显示与IgG Fc共享结合界面但机制不同

晶体结构显示，每个FcRn异源二聚体（α链和β₂m）结合一个刺突蛋白单体，形成2:2的生物学组装。FcRn主要通过其α1/α2结构域与HAstV刺突蛋白相互作用，这与IgG-Fc的结合区域重叠。然而，结合机制存在显著差异：IgG依赖pH敏感性相互作用，将其Ile253插入FcRn的疏水口袋，并利用His310/His435与FcRn的Glu115/Asp130形成pH敏感离子键；而HAstV刺突蛋白采用pH耐受的双相策略，结合疏水锚定和极性相互作用。

HAstV中和抗体通过空间位阻而非直接表位重叠阻断FcRn结合

结构分析发现，已知的HAstV中和抗体（3E8、PL-2、3B4、3H4、2D9、4B6）均不直接结合FcRn相互作用位点，但大多数会通过空间位阻阻碍受体结合。例如，PL-2抗体与FcRn结合区域部分重叠，而3H4则结合在刺突蛋白基部，可能通过诱导构象变化间接干扰FcRn结合。竞争性BLI实验证实，PL-2抗体确实与FcRn相互竞争HAstV刺突蛋白的结合。

抗FcRn抗体阻断HAstV感染的结构基础

研究人员将临床FcRn抑制剂（如nipocalimab、SYNT001、DX-2507、rozanolixizumab）与HAstV刺突-FcRn复合物进行结构比对，发现这些抗体均靶向FcRn的α1/α2结构域，与病毒结合位点直接重叠。特别是，所有抗体都靶向关键的129GDWPE133基序，其更大的结合界面（约1000?²）和皮摩尔级超高亲和力使它们能够有效竞争性抑制病毒与受体的结合。

保守疏水口袋介导HAstV刺突-FcRn跨血清型结合

结构比对显示，HAstV6刺突蛋白二聚体与HAstV1、HAstV2和HAstV8具有高度保守的折叠（Cα RMSD 0.47-0.64?）。关键界面残基分析发现，Lys469、Tyr477和Lys516在所有经典血清型中完全保守，而474和511位点虽存在保守性替换（Thr/Val/Leu、Leu/Met/Tyr/Arg），但均保持疏水特性。点突变实验证实，469、474和477位点的丙氨酸突变完全废除结合，而511和516位点突变使亲和力降低约2倍，证明这些残基对FcRn结合至关重要。

中和抗体PL-2与FcRn竞争HAstV刺突蛋白结合

竞争性BLI实验直接证明，PL-2抗体和FcRn相互抑制对方与HAstV2刺突蛋白的结合，这与它们重叠的结合足迹预测一致。PL-2的高亲和力（KD~1.8nM）使其能够有效竞争相对较低亲和力的FcRn结合（KD~43nM at pH 6.0）。

这项研究系统阐明了HAstV劫持FcRn受体的精细分子机制，揭示了病毒采用与IgG截然不同的pH耐受性结合策略。该发现不仅解释了HAstV如何在肠道pH梯度环境中有效感染宿主细胞，还为广谱抗病毒药物设计提供了关键靶点——刺突蛋白上保守的疏水核心。值得注意的是，研究为重新定位临床FcRn靶向疗法（如nipocalimab）治疗HAstV感染提供了强有力的理论依据，这对缺乏特效抗病毒药物的HAstV感染防治具有重要临床意义。尽管该研究主要聚焦经典HAstV血清型，但为理解更广泛病毒-受体相互作用机制建立了新范式，为未来开发针对新兴病原体的精准干预策略奠定了坚实基础。