Small:病毒样颗粒自组装:多态性向均一性的转变

病毒样颗粒(virus-like particle, VLP)是由病毒衣壳蛋白(capsid protein, CP)自组装形成的球形或管状蛋白纳米结构,具有与天然病毒衣壳类似的结构,不含基因组、无感染性,近年来在疫苗开发、药物靶向递送、生物医学成像与传感、组织工程等众多领域展现出独特的研究与应用价值。

作为天然的纳米材料,VLP的均一性(homogeneity)和稳定性是两个重要的性质。病毒CP的自组装由于缺少次要衣壳蛋白、核酸等元件,往往存在多态性(polymorphism)现象,即呈现多种形态、多种尺寸,甚至出现不规则组装体。以猴病毒40(simian virus 40, SV40)为例,其主要CP VP1自组装会形成外径分别为24 nm的T=1正二十面体、32 nm的中间态或八面体、45 nm的T=7正二十面体颗粒和纳米管等多种结构。这种多态性现象与CP组装动态平衡过程存在多条路径及其不确定性有关,也暗示其组装产物可能处于亚稳态,对开发基于VLP的生物纳米材料和功能器件是不利的。

近日,中科院武汉病毒所李峰研究员、中科院生物物理所张先恩研究员、广州市妇女儿童医疗中心印根权主任医师等人合作,从天然SV40衣壳结构模型(PDB ID 1SVA)出发,通过基因工程在VLP组装单元(VP1五聚体)间的界面引入分子间二硫键,经一系列组合设计以及多种手段表征(透射电镜、动态光散射、圆二色光谱、质谱,等等),发现只需VP1两个位点突变即可实现自组装由多态性向均一性的转变,获得大小均一的T=1正二十面体VLP,并显著提高VLP的结构稳定性。进一步机理分析揭示,VP1 C末端的柔性区域可能是VLP多态性形成的主要原因,而均一化的VLP归功于组装界面间搭建的二硫键网络,减少了柔性区域摆动,确定了组装路径。此外,通过对比多态性和均一性的VLP,他们还发现粒径对VLP的细胞内吞无显著影响,这两类VLP均可通过胞膜窖和网格蛋白介导的两种内吞途径入胞。

该研究通过蛋白相互作用界面设计,实现了VLP自组装的内在严谨控制,为理解病毒衣壳组装机制和设计新型VLP功能材料提供了新的参考和借鉴。相关结果发表于Small(DOI: 10.1002/smll.202004484),并于当期back cover做简要介绍。