单纯疱疹病毒囊膜糖蛋白gI曲膜特性的分子机制及生物学意义

Herpesviruses are ubiquitous pathogens that cause a variety of important diseases in humans and many animal species. In particular, alpha-herpesviruses have the most extensive and far-reaching impact on our daily lives. One process of infection that is highly related to viral pathogenesis is cell-to-cell spread，a major mode of transmission that is conducted by all alpha-herpesviruses in vivo. Glycoprotein I(gI) is a viral envelope protein that has homologues in all alpha-herpesviruses and has been shown to play a key role in this process but the.molecular mechanisms of how it promotes herpesvirus cell-to-cell spread have remained poorly understood. We have just made an unexpected but exciting observation that HSV-1gI can tubulate cellular membanes, leading to induction of rod-shapes structures in transiently transfected mammalian cells. In this proposal, we propose to investigate the molecular mechanisms of induction of rod-shaped structures by HSV gI and its role in cell-to-cell spread.The results from the proposed research will further advance our understanding of herpesvirus spread, which may eventually lead to the discovery of novel druggable targets, and also new means for rational design of effective vaccines against infections by HSV and other herpesviruses.

疱疹病毒是人和动物的重要病毒性病原，可引起多种疾病，其中α-疱疹病毒最具广泛和深远影响。胞间传播是所有α-疱疹病毒在宿主体内感染的重要方式，与病毒的致病性高度相关，但其作用机制尚不清楚。囊膜糖蛋白gI是疱疹病毒胞间传播的关键因子，在α-疱疹病毒中功能上高度保守。我们初步的研究发现，单纯疱疹病毒1型(HSV-1) gI 在转染的细胞内可诱导产生宽度均一，但长短不一的特异性杆状结构。本项目拟以这一科学发现为基础，进一步探究HSV-1 gI杆状结构的超微结构特征、产生的分子机制及生物学意义，以期为揭示HSV的胞间传播机制提供必要的科学依据。由于所有α-疱疹病毒都编码gI同源类似物，本研究结果将对这一类病毒的作用机制具有重要的启示作用。此外，对HSV gI功能的解析还将促进新的抗病毒药物靶点的发现，以及为设计和研制有效的疫苗提供理论依据。

囊膜糖蛋白gI是α-疱疹病毒胞间传播的关键因子，与致病性高度相关。但其生物学特性与作用机制迄今尚未完全阐明。本项目在前期发现人单纯疱疹病毒1型(HSV-1) gI 可在转染细胞内诱导产生杆状结构的基础上，探究HSV-1 gI杆状结构的超微结构特征、产生的分子机制及生物学意义。主要研究发现有以下四点：1）揭示了 gI杆状结构的超微结构生物学特性。利用激光共聚焦、超高分辨和3D重构技术研究发现，gI杆状结构是一个宽度、高度均一，但长度不等的立方柱状规则结构。荧光抗体染色及插入突变分析揭示，杆状结构为gI的一种高级结构，在形成该结构过程中，gI胞外域部分区域构象发生变化，部分表位包埋于杆状结构内部。2）揭示了杆状结构形成的分子基础。构建了gI与gD之间互换不同区域序列片段的嵌合体及缺失突变体，发现gI胞外域（ECD）是诱导形成杆状结构的关键区域，gI胞外域基序P184XXP188对诱导杆状结构十分关键。与此一致的是，发现gI具有寡聚化潜力，能够发生自身相互作用。3）发现gI曲膜能力（杆状结构形成能力）在病毒诱导细胞融合中发挥重要作用。构建了基于HSV-1 KOS毒株细菌人工染色体（BAC）的，gI关键氨基酸位点突变的构建了重组病毒（P184&188S）,发现 gI曲膜能力为病毒在上皮细胞中的复制和胞间传播非必需，而与UL24syn病毒诱导细胞融合的能力呈正相关。4）揭示了gI曲膜能力对HSV-1致病性的影响。利用CRISPR技术构建了基于HSV-1强毒株Mckrae的gI缺失病毒（ΔgI）以及曲膜能力丧失的突变病毒（gI P184&188S）。研究发现，杆状结构形成能力丧失不影响病毒增殖和噬斑形态，但对BALB/c小鼠致病性稍有增强，而gI缺失病毒致病性丧失。5）发现了HSV-1 gI新的存在形式。发现HSV-1 gI在感染细胞内主要以23kD小分子形式存在，远小于生物信息学预测的分子量（40KD）。进一步研究发现，该小分子形式为全长gI分子，具有特殊三级结构，能耐受变性环境，且gBsyn可对其结构施加影响。上述研究结果丰富了对HSV-1 gI生物学特性的认知，为进一步探究其在病毒感染与致病中的作用机制提供了重要线索。