病毒II类和III类融合蛋白识别与重构复杂生物膜的分子机制及能量学解析

本研究通过分子动力学模拟和自由能计算，揭示了不同类别病毒融合蛋白（I-III类）与宿主膜相互作用的分子机制。研究人员发现I类蛋白（如IAV HA2）通过疏水肽段插入膜核心实现强结合（ΔGbind=-115 kJ/mol），而II类（RVFV Gc）和III类（PrV gB）蛋白分别通过单体特异性脂质结合口袋和单体界面交叉环结构识别胆固醇与多不饱和脂质（如PAPC）。该研究阐明了病毒利用宿主脂质（如GM3神经节苷脂）促进膜融合的结构基础，为抗病毒药物设计提供了新靶点。

　　

在病毒与宿主的永恒博弈中，膜融合过程犹如一场精密的分子探戈——病毒需要突破宿主细胞的重重防线，而融合蛋白就是它们破门的"万能钥匙"。这项发表于《Communications Biology》的研究，揭开了II类和III类病毒融合蛋白操纵宿主细胞膜的分子魔术。

当前病毒学研究面临两大困境：一方面，像登革热、疱疹等由II/III类融合蛋白介导的病毒缺乏有效疫苗；另一方面，尽管已知胆固醇等脂质参与融合过程，但不同类别病毒蛋白识别膜脂质的结构机制和能量学原理仍是未解之谜。更棘手的是，哺乳动物细胞膜含有数百种脂质，而以往研究仅使用简单的单不饱和脂质模型（如16:0-18:1），无法反映真实的膜复杂性。

德国研究团队采用多尺度分子模拟技术，结合74种融合蛋白的序列分析，系统比较了I-III类代表蛋白（流感病毒HA₂、裂谷热病毒Gc和伪狂犬病毒gB）与不同脂质膜的相互作用。通过Martini粗粒化模型和全原子分子动力学模拟，辅以伞采样自由能计算，定量解析了蛋白-膜结合特性。研究特别关注了哺乳动物质膜外叶的复杂脂质组成（25%PC、25%SM、40%胆固醇等），并创新性地引入多不饱和脂质（如20:4 PAPC）和GM3神经节苷脂等关键成分。

【关键方法】

1. 采用Martini 3粗粒化力场构建含复杂脂质组的膜模型
2. 伞采样法计算结合自由能（ΔG_bind）
3. 全原子反向映射验证脂质结合位点
4. 多序列比对分析74种病毒融合蛋白的保守性
5. 脂质密度图分析局部膜重组效应

【主要发现】
膜结合亲和力遵循I类>II类≥III类的普遍规律
自由能计算显示I类HA₂结合能（-115 kJ/mol）显著强于II类Gc（-82 kJ/mol）和III类gB（-59 kJ/mol）。序列分析证实该趋势存在于13个病毒科的74种蛋白中：I类普遍含有多个疏水残基的融合肽段，而II/III类主要依赖芳香族侧链（如色氨酸/苯丙氨酸）插入膜。

胆固醇与多不饱和脂质的协同调控机制
胆固醇作为磷脂"间隔物"降低融合环插入能垒，而多不饱和脂质（如PAPC）通过柔性酰基链填充蛋白下方空隙，局部增加膜紊乱度。实验验证的D961K突变体在PS脂质存在时恢复结合，证实了Gc脂质结合口袋的可塑性。

II类与III类蛋白的差异化脂质识别模式
II类Gc通过单体表面口袋（含D271/R776）特异性结合PAPC/PAPS，稳定膜结合中间态；而III类gB通过独特的融合环交叉（FL1/FL2）在单体界面形成结合槽，与W187/Y276等残基产生阳离子-π相互作用。这种差异反映了二者不同的成熟路径：II类需要单体先锚定膜再组装为三聚体，III类则通过糖蛋白协同触发构象变化。

神经节苷脂的初始锚定作用
GM3缺失使结合能降低15-30 kJ/mol。全原子模拟显示gB与GM3的稳定结合，其N-乙酰神经氨酸（NeuAc）糖基与蛋白相互作用，这与伪狂犬病毒依赖GM1进入的实验现象一致。

这项研究首次从原子尺度揭示了病毒融合蛋白"劫持"宿主脂质的分子策略：I类像"深海潜水员"强力插入疏水核心，II类如"精密锁匠"通过单体口袋识别特定脂质，III类则似"分子魔术师"利用界面交叉环重构膜微区。发现的多不饱和脂质-胆固醇协同机制，不仅解释了病毒为何在感染时上调宿主多不饱和脂质合成，更为靶向脂质结合口袋的抗病毒设计提供了蓝图。特别是Gc蛋白双结合位点的发现，为开发能同时干扰膜锚定和三聚体组装的双功能抑制剂指明了方向。

该研究还建立了病毒学与膜生物学的新联系——神经节苷脂的广泛分布提示其可能是多种病毒的通用"登陆点"，而不同类别病毒对膜紊乱度的差异化需求，则可能解释了为何某些病毒（如登革热）能在缺乏胆固醇的膜上完成感染。这些发现将推动针对II/III类病毒的新型膜靶向疗法开发，也为理解膜融合的普遍规律提供了范式转换。