诺如病毒GII基因族受体识别的结构基础研究

Noroviruses (NoVs), members of the Norovirus genus in the family Caliciviridae, are the most important viral pathogens of epidemic acute gastroenteritis in humans, causing significant morbidity and mortality worldwide. NoVs are genetically diverse, comprising of five genogroups (GI to GV), in which GI and GII constitute the majority of huNoVs，especially GII. The P dimer protrusions extending from the shell contain variable sequences and play an important role in virus-host interaction and immune responses of NoVs..Human noroviruses (huNoVs) recognize histo-blood group antigens (HBGAs) as attachment factors, in which genogroup I (GI) and GII huNoVs use distinct binding interfaces. The genetic and evolutionary relationships of GII huNoVs under selection by the host HBGAs have been well elucidated via a number of structural studies; however, such relationships among GI NoVs remain unclear due to the fact that the structures of HBGA-binding interfaces of only three GI NoVs with similar binding profiles are known. .We will chose five strains（GII.17/GII.13/GII.21and GII.3/GII.6/GII11/GII19 /GII.18 ）in two lineages as our study objects. we propose to systematically characterize the complex interactions between the diverse human noroviruses (NoVs) and the polymorphic histo-blood group antigens (HBGAs) of humans. such a systematic characterization would provide insights into the principle and mechanism of NoV-HBGA interaction, which, in turn, would facilitate our understanding in NoV classification, evolution, epidemiology, and disease control and prevention. Thus, the proposed study is highly significant.

诺如病毒是引起人类非细菌性传染性急性胃肠炎最主要的病原体，在全世界范围内都具有较高的致病率和致死率。诺如病毒衣壳蛋白的P结构域以二体形式突出于病毒颗粒最外侧，在诺如病毒与宿主相互作用和受体识别过程中发挥重要作用。本项目拟以近年来引起人类传染性腹泻的GII基因族GII.17/GII.13/GII.21以及GII.3/GII.6/GII11/GII19/GII.18两个分支的诺如病毒与受体识别为主要研究对象，利用X-射线晶体学等研究手段系统地解析各个病毒株其衣壳蛋白P结构域及其与特异性的HBGAs寡糖复合物的晶体结构，全面揭示诺罗病毒衣壳蛋白自身的装配机制及其与不同类型HBGAs的识别机制；进一步完善GII基因族与识别受体的相互作用对Norovirus的宿主识别谱，为病毒-宿主相互作用机制提供必要的结构基础；为诺如病毒的病原学、流行病学以及疾病防控提供重要的理论依据。

诺如病毒是引起人类急性肠胃炎的主要非细菌性病原体，包含多种基因族和基因型，主要通过识别和结合人或动物肠道粘膜上的组织-血型抗原（HBGAs）对宿主进行特异性侵染。GII是世界范围内NoV暴发流行的主要基因型,本项目围绕诺如病毒性重要的GII基因族，开展“诺如病毒与宿主血型寡抗原受体识别的分子机制与病毒进化机制研究”，项目执行期间取得如下主要研究成果：人诺如病毒GII.17、GII.13和GII.21形成了一个独特的遗传谱系，其中GII.17基因型保留了传统的GII-HBGA的结合位点，而GII.13/21基因型则获得了一个全新的人组织血型抗原结合位点。我们系统地解析了早期GII.17非流行株（1978年）P蛋白的母体、流行株GII.17（2014/15年）P蛋白与A型和B型三糖复合物以及GII.13病毒株（2010年）P蛋白与Lewisa复合物的结构，发现GII.13/21亚系的新HBS的出现，以及最近的GII.17(2014/15)病毒株可能的HBS优化以增强HBGA结合能力的现象,解释了GII.17 引起大面积流行的原因。我们的研究提出了两条不同的进化途径阐明了GII.17/13/21谱系的结构适应，从而提出了解释人诺如病毒适应和进化的理论。诺如病毒GII C 分支由人诺如病毒和三种猪诺如病毒基因型（GII.11/18/19）组成，人诺如病毒通常结合组织血型抗原（HBGAs）作为宿主因子，猪源诺如病毒缺乏HBGAs结合能力。我们解析了猪源 GII.11P蛋白母体结构和人源GII.3TV24P蛋白与HBGA复合物的结构，通过HBGA结合位点的分析和比较，发现猪源诺如病毒GII.11的HBS中由于两个突变（Q355/V451）而失去其HBGA结合功能。将两个突变的残基逆转为传统的A355/Y451的突变体恢复了GII.11 P蛋白的HBGA结合功能，也验证了我们的观察结果；同样的突变也发现在GII.19中，GII.19P蛋白突变双反向突变恢复了HBS的功能。这是第一次发现了基于功能性HBS的重建而获得了一个新的回复的宿主特异性现象，从而揭示了猪源诺如病毒GII基因族通过其HBS的突变形成猪宿主结构适应的分子基础。