科学家揭示了甲型流感病毒如何劫持人体细胞，其中包括一种令人惊讶的策略：溶解细胞核内的微小结构，并释放病毒可能用于复制的蛋白质。这一详细的分子图谱可能揭示新的药物靶点，并帮助研究人员研究H5N1等危险的流感毒株。
季节性流感每年在全球导致300万至500万例重症病例，并与多达65万例死亡有关。甲型流感还引发了多次大流行，包括1918年的西班牙流感大流行。
病毒进入细胞后，会释放含有制造少量病毒蛋白指令的RNA。这些蛋白在宿主细胞内扩散，并重定向其分子系统，将细胞转化为新病毒颗粒的生产场所。
在完整细胞内绘制流感病毒图谱
更清晰地了解这种接管过程有助于科学家开发更有效的流感疫苗和抗病毒药物。为了实现这一目标，研究人员需要了解哪些病毒蛋白与人类蛋白相互作用，这些接触发生在何处，以及病毒如何利用它们来支持自身的复制。
这项新研究首次在完整感染细胞内大规模绘制了流感蛋白与人类蛋白之间的直接接触图谱。结构细节也足够精确，使研究人员能够模拟相互作用的蛋白可能如何组合在一起。
“我们的工作提供了一种在原生背景下并结合结构洞察力来研究流感-宿主相互作用的新方法，”EMBL汉堡分站及结构系统生物学中心（CSSB）课题组组长Jan Kosinski说。“目前的结果是感染过程中某个瞬间的快照，它为研究整个感染周期中的流感-宿主相互作用打开了大门。”
克服一个重大实验难题
在活跃感染期间追踪蛋白质-蛋白质相互作用极其困难。许多早期研究依赖于生化技术，这要求科学家在测量蛋白接触前将细胞破碎。
这一过程可能会扭曲活细胞内部发生的真实情况。一旦内部区室被破坏，原本被分隔的蛋白质可能会在实验室中发生接触。同时，微弱的、暂时的或特定位置的相互作用可能会消失。结果，研究人员可能难以确定哪些连接在感染期间真正存在。
“就在这时，我们了解到我们在柏林FMP研究所的合作者Boris Bogdanow和Fan Liu开发了一种专门的交联质谱（XL-MS）版本，这是一种用于绘制蛋白接触的成熟技术，专门针对病毒感染细胞进行了定制，”Kosinski说。
这种专门的方法提供了团队所需的突破。它使得捕捉那些仅在感染细胞的特定区域短暂发生的相互作用成为可能。
“XL-MS允许我们直接在感染的完整细胞中捕捉蛋白质-蛋白质相互作用，同时还提供关于这些相互作用如何发生的结构信息，”现任柏林夏里特医学院病毒学研究所青年研究课题组组长的Bogdanow解释道。“这让我们得以深入了解病毒与人类细胞之间的界面，并可能通过结构建模，帮助确定未来药物干预的可操作靶点。”
结合实验数据与AlphaFold
研究人员将他们的XL-MS结果与计算结构建模相结合。这使他们能够识别相互作用的病毒蛋白和人类蛋白，并估算这些蛋白在连接时的位置关系。
为了构建这些结构模型，团队使用了AlphaFold的改进版本，这是一种获得诺贝尔奖的蛋白质结构预测算法。
“改进版AlphaFold方法的关键优势在于，它允许我们将实验交联数据直接输入到结构建模中，”Kosinski解释道。“这告诉模型在感染细胞内病毒蛋白和宿主蛋白的哪些部分彼此靠近。这对于病毒-宿主复合物特别有用，因为它们通常很难可靠地预测。”
流感劫持人类细胞的两种方式
发表在《自然-微生物学》上的这些发现，揭示了甲型流感在控制细胞时似乎使用的两种显著策略。
第一种策略以血凝素为中心，这是一种位于病毒表面的蛋白。流感利用血凝素附着并进入宿主细胞。研究人员追踪了这种蛋白在细胞内部运输和加工网络中的移动过程。
该网络由多个区室组成，这些区室在将蛋白质送往最终位置之前对其进行折叠、修饰和准备。分析表明，几种人类蛋白在感染期间帮助正确折叠和修饰血凝素。其中一些宿主蛋白的功能此前知之甚少。
流感溶解细胞核内的结构
第二个发现涉及核旁斑，这是位于细胞核内的小液滴状区室。团队发现，甲型流感感染导致这些结构溶解。
当核旁斑解体时，它们释放了被包裹在其中的RNA结合蛋白。病毒随后可能利用这些蛋白来支持自身的复制。
“最让我们惊讶的是核旁斑，”EMBL汉堡分站Kosinski课题组的前博士研究生、现任职于苏黎世联邦理工学院及该论文第一作者的Iuliia Kotova说。“看着这些细胞核内的微小细胞器溶解，而且在我们测试的每一种细胞系和流感毒株中都是一致的，这告诉我们这不是感染的副作用——它可能是一种策略。”
这种破坏可能为流感提供不止一种优势。
“这对病毒可能还有第二个好处：一些证据表明核旁斑有助于细胞应激反应和抗病毒基因调控，因此破坏它们也可能削弱细胞防御反应的某些部分，”Kosinski补充道。
跨三机构的合作成果
该项目依赖于来自三个机构的共享技术和专业知识。研究人员在柏林夏里特医学院进行了交联质谱工作。糖蛋白质组学分析在EMBL蛋白质组学核心设施完成。
团队在EMBL计算集群上进行了AlphaFold建模，而显微成像则在CSSB的高级光学与荧光显微成像（ALFM）设施进行。
研究潜在大流行病毒的新途径
这些发现展示了研究完整感染细胞内的分子接触如何揭示病毒在何处以及如何控制人类细胞机制。研究人员表示，这种“背景化绘图”也可能有助于解释其他病毒如何运作。
“虽然具体的宿主因子和机制往往因病毒而异，但我们认为我们的整体方法——结合细胞内交联、结构建模和针对性的细胞生物学后续研究，以绘制感染特定阶段的原生病毒-宿主相互作用——仍然具有广泛的适用性，”Kosinski说。
尽管该研究检查的是一种实验室适应的流感毒株，但研究人员相信同样的策略最终可用于研究具有更大流行潜力的病毒。
Bogdanow对此表示赞同：“虽然这项研究侧重于实验室适应株，但它为将该方法应用于具有潜在大流行相关性的病毒（如H5N1）奠定了基础，并有助于揭示支持其在人类细胞中增殖的相互作用网络。”