口蹄疫病毒广谱中和抗体识别抗原结构与中和病毒机制研究

Foot-and-mouth disease virus (FMDV) is the causative agent of foot-and-mouth disease, a highly contagious and important disease affecting cattle, sheep, pig, etc. FMDV includes seven serotypes, and there is almost no cross-protection between serotypes. The neutralizing antibodies play a pivotal role in preventing FMDV infection, and whether there exists a common neutralizing antigen site that can induce cross-protection between serotypes is still an unanswered scientific problem. In our laboratory, a broadly neutralizing antibody (R50) with ultralong HCDR3 was successfully obtained using single B cell antibody technique, which could neutralize representative topotype-independent strains from both FMDV serotype O and A, indicating this antibody may recognize the common neutralizing antigen site between serotypes. Therefore, this project aimed to identify the critical amino acids bound to R50 through screening mAb neutralization-resistant mutants (MAR-mutants), and resolve the R50 Fab-FMDV complex structure via cry-electron microscopy, which could reveal the neutralizing antigen site recognized by R50 and its neutralization mechanism. This study could firstly identify the common neutralizing antigen site between serotypes, and further enrich data of FMDV antigen structure to guide universal FMDV vaccine design.

口蹄疫病毒（FMDV）是引起猪、牛与羊等动物口蹄疫（FMD）的重大传染病病原，包含七个血清型，血清型间基本不产生交叉免疫保护，中和抗体在抵御FMDV感染中发挥重要作用，是否存在可诱导血清型间交叉免疫保护的中和性抗原位点一直存在疑问。本实验室利用单个B细胞抗体技术从牛外周血中筛选到一株FMDV广谱中和抗体（R50），该抗体重链含有超长的互补决定区3（HCDR3），对O和A型FMDV多个谱系病毒都有中和作用，推测该抗体识别型间保守的中和性抗原位点。为此，本项目拟通过中和抗体逃逸突变株筛选鉴定R50单抗识别的抗原表位关键氨基酸，采用冷冻电镜技术解析抗体Fab-FMDV复合体结构，解析中和抗体结合的抗原位点与中和病毒的机理，有望首次鉴定出FMDV血清型间保守的中和性抗原位点，进一步丰富FMDV抗原结构数据，为广谱疫苗产品研发提供理论依据。

口蹄疫病毒（FMDV）是引起猪、牛与羊等动物口蹄疫（FMD）的重大传染病病原，包含七个血清型，血清型间基本不产生交叉免疫保护，中和抗体在抵御FMDV感染中发挥重要作用，是否存在可诱导血清型间交叉免疫保护的中和性抗原位点一直存在疑问。项目采用冷冻电镜技术，成功解析了牛源广谱中和抗体R50分别与O型FMDV和A型FMDV的复合物结构。三维结构显示，R50抗体分子HCDR3形成一个“凸”型抗原结合位点，位于病毒衣壳蛋白VP1与VP3，涉及VP1 BC环（V50和D52）、VP1 EF环 （P94 和E95）、VP1 GH环（R157、L159和P160）以及VP3 GH环（D173和T177），为构象型表位，关键氨基酸为VP1上第95位，这些抗原决定簇在病毒粒子表面形成一个“凹”型抗原槽。抗原与抗体的作用模式使得只有具备超长HCDR3序列（大于40个氨基酸）抗体分子（占比20%牛源抗体）才能识别这一血清型间保守的抗原表位，因为而传统抗体分子（HCDR3长度约20-30个氨基酸）产生的抗体决定簇为“平”型，解释了为何在自然宿主牛体内诱导产生了广谱中和抗体，打破了FMDV血清型间不存在保守型中和抗原表位的历史。根据R50-FMDV复合物结构、位阻效应分析和负染电镜观察，揭示了广谱中和抗体R50通过影响病毒粒子稳定性来中和病毒的机制。项目进一步阐释了O型FMDV型内保守抗原结构信息，利用识别O型FMDV的13株牛源广谱中和抗体（中和SEA、Cathay和ME-SEA流行毒株），揭示O型FMDV保守抗原结构位于VP2和VP3上，其中VP2上存在免疫优势性的两组表位：组1表位靠近病毒衣壳3重轴，涉及B-C和H-I环上T71、S72、V189和N190位残基，组2表位靠近病毒原体的中心，涉及B-C和E-F环上R77、C78、L129和S131位残基。而VP3 B-C 环上T65、T68和G69位，E-F 环K134 位和H-I 环G196 位残基组成一类新的抗原位点。冷冻电镜解析了FMDV-C4复合体结构，发现C4识别一个跨原体表位，由多数VP3和少数VP2上残基组成。功能试验发现C4能迅速解离病毒粒子，导致RNA释放。本项目详细阐释了FMDV血清型间的保守抗原结构信息，首次揭示了O型FMDV粒子表面的脆弱位点，丰富了FMDV抗原结构数据，为FMDV广谱疫苗产品研发提供理论依据。