基于VP1 P结构域与组织血型抗原相关聚糖结构兼容性的人源与动物源诺如病毒计算机模拟比较分析

《Viruses》：In Silico Analysis of Structural Compatibility Between Histo-Blood Group Antigen-Associated Glycans and VP1 P Domains of Human and Animal Noroviruses

　　

诺如病毒（Noroviruses）是全球急性胃肠炎的主要致病病原，其宿主易感性与病毒吸附过程受VP1突出（P）结构域与组织血型抗原（HBGAs）之间相互作用的调控。尽管人源诺如病毒的HBGA识别已被广泛研究，动物相关基因型容纳HBGA相关聚糖的结构能力仍相对缺乏探索。本研究对VP1 P结构域与六种HBGA相关聚糖——乳-N-二糖（LNB）、H1型抗原、A抗原、B抗原、Lewis A及Lewis Y——的结构兼容性开展了比较性计算机模拟（in silico）分析。研究采用结构建模、CB-Dock2/AutoDock Vina分子对接、基于Vina评分的配体效率（LE）、残基接触映射，以及对GII.4 P结构域–H1型抗原复合物开展三次独立的100 ns分子动力学（MD）模拟，对人源与动物相关诺如病毒基因型进行了评估。基于位点信息的CB-Dock2空腔选姿策略对四个晶体学复合物获得的重原子均方根偏差（RMSD）为0.327–1.895 ?，但仅有两个选姿在空腔输出中排名居首。采用Vina–Carb进行的互补性碳水化合物感知重对接在四个复合物中的两个里于前十位解中恢复了晶体学相似构象（<2 ?），表明选姿恢复性能具有复合物依赖性。评分衍生的配体效率分布在所分析的人源与动物相关数据集之间总体重叠。在文献引导下对选定对接构型进行分析，识别出几何上合理的聚糖排布以及反复出现的极性与芳香族接触环境，并观察到口袋组织具有基因型依赖性变异。然而，在四个代表性H1型抗原复合物中，自动排名居首的盲对接解与靶向P2构型在空间上相互分离，表明P2相关容纳依赖于位点定向采样，而非由盲对接独立识别。在重复分子动力学模拟中，P结构域整体保持稳定，而H1型抗原表现出显著的位置迁移性、蛋白–配体距离的间歇性增大以及氢键形成的变化，表明初始对接构象未被持续维持。总体而言，上述发现支持一个以假设生成（hypothesis-generating）为导向的结构兼容性框架，以及在文献引导采样条件下存在的基因型依赖拓扑变异性，但并未确立生物学意义上的聚糖结合或定量结合亲和力。

诺如病毒（Noroviruses）属于杯状病毒科（Caliciviridae），是全球急性胃肠炎散发暴发与反复流行的主要病原，具有广泛的遗传多样性，分布于感染人类及多种动物（猪、牛、啮齿类、海洋哺乳动物、蝙蝠和鱼类）的多个基因组（genogroup）与基因型中。人源诺如病毒中，GII.4长期主导全球暴发并伴随衣壳蛋白替换变异株的周期性出现，GII.17近期重新成为流行病学重要基因型，且其HBGA结合谱与GII.4不同。组织血型抗原（HBGAs）识别被认为是诺如病毒感染早期的重要决定因素，作为肠道上皮表面与黏膜分泌物中的吸附因子发挥作用，其表达与FUT2、FUT3等生物合成基因多态性相关，影响A、B、H及Lewis抗原在人群中的分布。唾液结合试验与结构分析显示不同基因型对上述聚糖的识别与结合能力存在差异，但多数实验结合数据来自人源毒株，动物相关基因型识别HBGA样聚糖的结构特征仍相对缺乏探索。结构上，HBGA识别主要发生于衣壳蛋白VP1的P结构域，尤其是P2亚结构域形成的结合口袋，其特征为参与蛋白–碳水化合物相互作用的极性与芳香族残基；晶体学与建模研究显示该口袋的残基组成与几何构型可能随基因型变化，影响与不同HBGA的相互作用特异性；这种结构变异是否反映宿主特异性适应，抑或为人源与动物基因型间广泛保守的结构特征，仍未完全阐明。尽管P结构域与HBGA相互作用的结构数据不断积累，整合多个人源与动物基因型三维模型的大规模比较分析仍有限，尤其缺乏结合已知唾液结合谱并以GII.4、GII.17等流行病学优势基因型为重点的研究。在此背景下，本研究旨在比较评估人源与动物源诺如病毒P结构域容纳HBGA相关聚糖的结构潜力，以GII.4和GII.17等重点人源基因型及动物相关基因型为比较对象，整合三维P结构域模型、分子对接、基于Vina评分的配体效率、残基接触映射以及对一个代表性GII.4–H1型抗原复合物的重复分子动力学评估，在统一计算框架下刻画预测的空间与接触模式，并明确将对接评分作为比较性描述指标而非实验结合亲和力度量。研究纳入8个人源基因型代表性序列（VA387/GII.4、Parris Island/GII.3、BUDS/GII.2、Norwalk virus/GI.1、VA207/GII.9、GII.17-2014/15、Operation Iraqi Freedom 031998/GII.21、Desert Shield virus/GI.3），并补充GII.4、GII.17变异株及猪GII.11、GII.18序列以评估基因型水平定性模式在独立序列代表中的保持情况；评估六种HBGA相关聚糖（LNB、H1型抗原、A抗原、B抗原、Lewis A、Lewis Y），其化学结构对应PubChem记录CID 440994、5326971、71587158、54177368、53477858和45266908。主要关键技术方法包括：对无晶体结构的基因型采用Phyre2.2服务器同源建模并以PyMOL提取P结构域，用MDAnalysis评估P2主链二面角分布；在UCSF ChimeraX中完成受体与配糖体制备；采用CB-Dock2服务器（整合自动空腔检测与AutoDock Vina评分）进行盲对接，并以Vina–Carb 1.0（含碳水化合物特异性糖苷扭转项）在标准化20×20×20 ?靶向P2搜索框内进行位点定向对接，对GII.4 VA387、GII.17-2014/15、猪GII.11与牛GIII.1的H1型抗原复合物比较自动首选盲对接解与靶向P2解的空间关系，并以三个独立随机种子评估对接随机可重复性；对四个晶体学P结构域–HBGA复合物（2ZL7/A抗原、3Q38/B抗原、4P3I/Lewis A、3PUN/Lewis Y）开展CB-Dock2空腔选姿与Vina–Carb重对接的构象恢复基准评估（重原子RMSD<2.0 ?视为接近恢复）；以LE=|Vina评分|/重原子数计算评分衍生配体效率；对GII.4 P结构域–H1型抗原复合物采用CHARMM36力场与TIP3P水模型在GROMACS 2025.4中开展三次独立100 ns分子动力学模拟，分析Cα RMSD、RMSF、回转半径、配体RMSD、蛋白–配体氢键与最小原子间距及残基接触占有率。样本队列来源为已发表序列与实验解析结构（GenBank登录号及PDB编号见原文），未涉及新采集临床样本。研究结果如下：（1）基于位点信息的晶体学构象恢复与排序性能：四个晶体学复合物选姿重原子RMSD为1.895 ?（2ZL7，C2，评分?6.6，空腔排名1）、1.884 ?（3Q38，C3，评分?7.6，排名1）、1.803 ?（4P3I，C5，评分?7.3，排名2）、0.327 ?（3PUN，C4，评分?6.4，排名2），表明在基于位点信息的候选姿中可识别接近晶体学的几何构型，而非CB-Dock2优先将此类构型排名居首；Vina–Carb重对接显示复合物依赖性恢复，仅3PUN首选姿达0.868 ?，3Q38在第8位恢复0.951 ?构象，2ZL7与4P3I前十位最低RMSD分别为6.072 ?与3.057 ?。（2）评分衍生配体效率呈配体与基因型依赖变异：共分析150个受体–配体相互作用（12个人源序列72个、13个动物相关序列78个），人源基因型LE主要分布于0.15–0.24分/重原子，LNB居分布上界（GII.4 VA387达0.26、GII.17达0.27），Lewis Y因重原子归一化而偏低，动物相关序列LE与人源范围重叠。（3）文献引导的选定对接构型结构表征：GII.4中六种聚糖选姿几何上容纳于共同P2相关区域，GII.17中除Lewis A外五种聚糖占据同一P2结构块，其他基因型呈单口袋、双簇或部分重叠等不同构型；自动首选盲对接解与靶向P2解质心间距约34.5–42.3 ?（GII.4、GII.17、猪GII.11、牛GIII.1），表明盲对接未优先将H1型抗原置于P2区，而靶向对接显示其可在P2区几何容纳；不同随机种子的独立对接运行显示高随机可重复性（首选评分差异≤0.2分，配对重原子RMSD最大约1.29 ?）。（4）残基接触映射识别选定姿中反复出现的相互作用环境：GII.4接触集中于约396–401位残基（含ASN397、GLN400/401），GII.17反复涉及ARG401、GLN402、TRP403；并以4 ?标准列出四个晶体学复合物（2ZL7、3Q38、4P3I、3PUN）的接触残基作为结构参照。（5）三次100 ns分子动力学显示P结构域稳定而H1型抗原显著迁移：三条轨迹蛋白Cα RMSD均值0.163±0.020、0.194±0.027、0.175±0.026 nm，回转半径约2.096–2.104 nm；配体RMSD大幅波动，最小蛋白–配体间距间歇性增至纳米级，氢键数均值1.84±1.75、1.10±1.65、2.68±1.93且存在无氢键区间，表明初始对接构象未被持续维持；接触占有率分析显示ASN446（42.03±26.78%）、TRP403（41.69±24.94%）、GLN402（40.03±22.65%）、ARG397（39.69±22.71%）等残基在三条轨迹中反复接触但占有率差异显著。（6）动物P结构域结构与接触映射呈部分趋同与模块化口袋组织：LNB等聚糖常定位于富含保守极性与芳香族残基的结构允许区域，与人源P2相关区域结构类似但不完全相同；动物株更常见特定聚糖位移至替代空腔（如GII.11与GIII.1中B抗原占据空间上不同的空腔），GV.1存在两个反复接触核心，GV.2与GX.1呈更分散的配体依赖特征，GII.18补充序列（EU448333.1、PQ467819.1）呈高度一致的接触核心（约417–420位LYS、GLN、TRP）；总体趋同程度低于部分人源株。（7）人源与动物基因型呈重叠的结构与评分模式：两数据集在Vina评分、LE与定性接触环境上广泛重叠，但选姿空间组织与局部接触环境存在基因型依赖变异，未确立统计等价性或生物学结合差异。讨论部分指出，本研究最可直接解释的输出为选姿空间组织与残基接触环境，Vina评分与LE仅作为次要比较描述指标；空腔基准中选姿RMSD<2.0 ?反映选定对接输出中接近晶体学构型的可获得性，而非首选姿恢复的独立证据，Vina–Carb恢复性能呈复合物与方法依赖性；LE分布重叠不支持宿主特异性结合能量学定量论断，且重原子归一化系统性惩罚较大聚糖，LNB居上界、Lewis Y居下界应视为评分框架属性；由于选姿纳入与已知P2 HBGA结合区的空间一致性，P2定位不作为盲对接独立结果，盲对接与靶向对接的空间分离支持将P2相关构型视为文献引导的结构合理假设；MD模拟强调有利静态对接姿本身不足以证明显式溶剂动力学中的持续结合，残基占有率显示聚糖采样反复但非持续的接触环境；动物P结构域异质接触模式与近期人源及蝙蝠诺如病毒P结构域晶体学分析所显示的保守整体折叠伴P2环区基因型变异及蝙蝠病毒HBGA结合位点可能位移相符，但仅为待验证的结构假设，不确立宿主适应、人兽共患潜力或动物诺如病毒生物学HBGA结合；方法学局限包括通用AutoDock Vina评分对寡糖多糖苷扭转与羟基介导相互作用网络表征不足、晶体水分子去除致水介导氢键网络未显式表征、P结构域刚性处理忽略P2环区重排、同源模型局部几何不确定性及P2 Ramachandran分布基因型依赖变异；补充序列与随机种子重复性分析支持基因型水平一致性但限于抽样序列子集；人源与动物数据集比较限于描述性分析，因同一基因型多序列不构成独立生物学重复，故未行推断统计；研究完全为计算性，缺乏生化或病毒学验证，需糖芯片、唾液结合试验、表面等离子体共振等定量HBGA结合实验确定预测模式的生物学相关性，尤其对动物相关诺如病毒。研究结论部分译为：比较结构分析在所考察的计算条件下，于人源与动物相关诺如病毒基因型P结构域内识别出几何上合理的HBGA相关聚糖构型；文献引导的选姿在人源基因型（包括GII.4）构型中显示反复出现的P2相关组织，而若干动物相关基因型呈更模块化与配体依赖的空间排布；然而自动首选盲对接解与靶向P2构型间的显著空间分离表明，聚糖在预定义P2区的容纳依赖位点定向采样而非盲对接独立识别；残基接触映射刻画了选定构型中反复出现的极性与芳香族接触环境，提供结构假设而非生物学聚糖识别证据；Vina评分与评分衍生配体效率在所分析人源与动物相关数据集间大幅重叠，被解释为比较性计算描述指标而非结合自由能或实验亲和力的定量度量；代表性亚集以独立随机种子的重复对接显示标准化条件下首选评分与构象几何变化有限；对代表性GII.4–H1型抗原复合物的三次独立100 ns MD模拟显示P结构域整体结构保持但聚糖位置迁移显著，包括蛋白–配体距离间歇性增大、氢键形成变化以及再接近与替代接触形成，故MD分析为对接衍生构型提供动态背景，但未确立初始聚糖构象的持续维持或稳定结合；总体而言，研究支持在文献引导采样条件下结构兼容性与基因型依赖拓扑变异性的假设生成模型，尚需进一步碳水化合物感知结构分析与实验结合研究以确定预测构型的生物学相关性，尤其对动物相关诺如病毒。