人类首次观察到完整的结合糖蛋白胞外域！中国科学家成功解析尼帕病毒G蛋白胞外域，为H...
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“这篇论文很罕见地收到了四份审稿回复。拿到回复那天，导师惊讶地和我说奇怪了怎么会有四份？而且所有回复竟然都是正面评价。他们都认为，该结构在预防可能来临的亨尼巴病毒属（Henipavirus，HNV）上会起到巨大作用，对 HNV 相关抗体药物和疫苗的研发将是指导性的。同时，大部分审稿人也强调不仅是对 HNV，对整体副黏液病毒的膜融合机制研究也具有重要性。”王炤乾担任一作的第二篇论文，在 Science 的发表过程非常顺利。
以原生宿主蝙蝠为例，NiV 和 HeV 受体蛋白之一的 Ephrin B3，在蝙蝠与人类的受体蛋白结合域有着 100% 的序列相似度，所以蝙蝠源的 HNV 溢出可能，一直是非常值得关注的问题。
主要原因在于，作为抗原的 G 蛋白的整体结构从未被完整解析过。因此，在该论文中，王炤乾通过单分子冷冻电镜的技术，对尼帕病毒 G 蛋白的胞外域进行了结构解析。
在结构上，这是 HNV G 蛋白整体胞外域首次被解析出来，他还意外捕获到一个不单单是在 HNV 家族、甚至是其所属的副黏液病毒科中从未被观察到过的膜融合（及病毒入侵机制）相关蛋白域——Neck 域。
而且，让他感到些许惊讶的是，G 蛋白虽然是一个同源四聚体，却展现出三种完全不同的单倍体构造，这最终导致了一种令人迷惑的“病毒哲学”，以及在四个独立且功能正常的受体结合域中，只有一个能与宿主受体蛋白结合，看上去就像是 HNV 在刻意地减少感染宿主的效率。
因此，他希望此次对于 HNV G 蛋白这一重要抗原的新认知，可以成为对其相关疫苗和抗体药物研究的蓝图。至于在 G 蛋白结构上的新发现，他希望不仅是对于 HNV，而且对整个副黏液病毒科的膜融合机制都能提供一些可能的构想。
成为 HNV 疫苗和抗体药物研究的蓝图
该研究要从王炤乾在华盛顿大学生物化学学院副教授大卫·维斯勒（David Veesler）实验室轮转时说起。起初，他做的是 MERS 病毒 Spike 蛋白和宿主细胞结合机制的研究，之后由于确定到的结合位点仅在 MERS 和 OC43 等几个冠状病毒株中存在，所以正式加入该团队后并没有继续深入。
但由于此前研究方向是病毒膜外蛋白和宿主细胞的结合机制，也就顺理成章地开始研究 HNV 结合糖蛋白。此外，尽管人类对 HNV 的研究已有二十年左右，在抗原和免疫上的研究也有所突破，但是对于 HNV 结合蛋白这一最重要的抗原，除了受体结合域之外，我们对它的整体结构一无所知。
那么，在对抗原进行研究时，为什么需要一个整体结构？因为我们已经进入反向疫苗学 2.0 时代（reverse vaccinology 2.0），即以抗原分子结构作为疫苗设计和药物设计的指南。经历两年多的新冠疫情，多数业内人士也都知道，不管是灭活疫苗还是 RNA 疫苗，所用的抗原都是 SARS-CoV-2 的 Spike 蛋白，其相关结构在专业论文和科学杂志上多次“露面”。
但是可能大家不知道的是，人类对冠状病毒的研究已持续半个世纪之久。而对于 Spike 蛋白的结构，直到近几年为止都仅仅局限于受体结合域，绝大多数研究也只是为了验证其他实验的结论，主要原因之一在于晶体学的限制导致整个 Spike 蛋白的解析“堪比登天难”。
王炤乾的学姐 Lexi 亚历山德拉·C·沃尔斯（Alexandra C. Walls），是其导师 David 的第一个博士研究生，她在 2016 年于 Nature 发表的论文，展示了 MHV（mouse coronavirus）Spike 蛋白完整胞外域的冷冻电镜结构，这是最早的 Spike 蛋白完整结构之一，也为之后 Spike-2P 的成功设计打下了基础，而 Spike-2P 是一个更稳定的 Spike 蛋白变种，也是辉瑞和 Moderna RNA 疫苗的抗原。
新冠爆发之后，该实验室是全球最早解析出 SARS-CoV-2 Spike 蛋白结构的实验室之一，也在过去两年发表了 40 余篇新冠相关的文章。其中，发表于 Cell 的 SARS-CoV-2 Spike 结构相关论文，已被引用 6000 多次，对新冠的整体研究有着较大推动作用。同时他认为，新冠疫情教给我们最大的一个教训是，永远不要去追赶病毒，在病毒学领域的研究，我们应该尽其所能，从防御性的研究，转变为预防性的研究。
而从对冠状病毒的研究中可以看出，鉴于技术上的进步和冷冻电镜的成熟，在疫苗研究和病毒相关研究中，结构生物学在项目设计中的顺序被提前了，不再是整体项目的最后一步即作为验证而存在，而是逐步移动到一个大项目的中段甚至是前端。
他说：“尤其是在疫苗和抗体研究上，我们已经看到了一种结构引导的疫苗及抗体设计，而在不远的将来，我们甚至应该会看到一种基于结构的疫苗及抗体设计。所以，HNV 这个项目的成功，很大程度上是基于一种研究理念、实验设计理念的改变。”
在应用上，王炤乾希望该结构能成为 HNV 疫苗和抗体药物研究的蓝图，后续的抗体（antibody）、纳米抗体（nanobody）、迷你粘剂（minibinder）和疫苗研究都正在进行中。虽然正式疫苗和药物可能还需要较长时间，但是相关的理论研究论文应该会于近一两年逐步发表。
1 万 5 千多张图片和 150 多万个分子图像
同时，他也发现了一个比较有趣的现实：“不得不感叹冷冻电镜在过去几年的发展速度之快。为了得到一个分辨率足够高的 NiV 结合糖蛋白结构，在两年多的时间里，我们前前后后总共采集了 7 组数据，其中两组因为不是很理想最后没有使用，不过最终分析的数据还是包含了 1 万 5 千多张图片，150 多万个分子图像，当时已经是非常非常大的一个数据集了。在论文快发表之前，我们的电镜刚好做了一次硬件升级，结果突然发现，现在好像一周的时间就能采集这么大一组数据了。”
同时，除了上述基于应用的研究，该结构也揭示了在副粘液病毒中首次解析出的膜融合相关的新蛋白域。以麻疹、腮腺炎、副流感这些副黏液病毒为例，虽然已对其研究许多年，但对其具体如何入侵人类细胞、以及膜融合的具体机制，我们其实并不清楚。
因此，王炤乾希望该结构不仅能给抗原提供蓝图，更能成为 HNV、甚至是副粘液病毒的膜融合机制的研究导向。同时，这也是人类首次真正看到一个完整的结合糖蛋白胞外域。有了这一结构，才能探索如下问题：比如当蛋白与其配对的宿主细胞受体蛋白结合时会导致何种结构变化？以及这种变化是否和膜融合蛋白（fusion protein）的触发机制有关？阻止这种结构变化是否可以阻止病毒的入侵？
针对上述问题，目前王炤乾正尝试同时使用单分子冷冻电镜和冷冻电子扫描的方法进行研究。
留美已有 8 年，打算学完冷冻电子扫描技术回国发展
据介绍，王炤乾出生于山西省太原市，九岁时随父母来到上海。2014 年从上海市格致中学国际班毕业后，申请到美国加州大学戴维斯分校生物系读本科，2017 年底毕业来到华盛顿大学的 BPSD（Biological Physics, Structure and Design）项目读博，今年是博士第四年。
他说：“我其实从高中到现在都没有参加过比赛或评比。要说特点的话，我可能是有点执着于效率了。因为要出国，很早就决定不参加高考，并且开始学习 AP（Advanced Placement）课程。到高中毕业时，一共拿到 13 门左右的 AP 成绩，其中绝大部分科目都是 5 分（1-5 分制的），这个总数当时在上海也算是榜上有名了。”
本科后，他便维持了这一学习效率。读完大一就申请了双学位，大二时又申请了辅修学位，最终在三年又一个学季里，完成了生化和分子生物学、理论物理学的双理学学士（BS）学位，以及计算机系下的生物信息学副学位。
他说：“虽然学校没有记录，但是在做毕业规划时，本科顾问和我说，像我这么学的在她的印象里应该也就我这么一个。”
读博之后，王炤乾才算“渐渐”慢下来。博一在 David 实验室轮转时，他解析了唾液酸结合于 MERS Spike 蛋白的结构，当时是 Spike 蛋白结构里分辨率最高的，后以共同一作身份，把论文发表在 NSMB（Nature Structural & Molecular Biology）。
对于未来，他确实有回国打算，但是国内教职岗位大多要求一到三年以上的正式工作经验，所以他决定博士毕业后，继续在美国做一年博士后。
他认为过去几年中，中国在单分子冷冻电镜的技术上已经发展得非常成熟，但是在冷冻电子扫描的技术上仍有一些空间，所以也想学习一下冷冻电子扫描技术。
-End-
1、Wang, Z., Amaya, M., Addetia, A., Dang, H. V., Reggiano, G., Yan, L., ... & Veesler, D. (2022). Architecture and antigenicity of the Nipah virus attachment glycoprotein. Science, 375(6587), 1373-1378.
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