双一区IF14.7客户服务案例 | AP-MS做完没思路?全套互作蛋白分子机制研究思路选择
阅读:128 时间:2025-05-15

 

期刊名称:Nature Communications

发表时间:2023年3月

影响因子:14.7         

期刊分区:JCR 1区/中科院1区

作者单位:武汉病毒研究所

样本类型:beads

服务产品:IP-MS蛋白互作组研究解决方案

样本数量:12

相关疾病:克里米亚-刚果出血热病毒

 

今天和大家分享一篇通过亲和纯化串联质谱分析(AP-MS)探究克里米亚-刚果出血热病毒(CCHFV)糖蛋白Gn/Gc和宿主的相互作用的客户文章。文章鉴定了45种宿主蛋白作为高可信度的Gn/Gc相互作用蛋白,建立了关键病毒分子的宿主相互作用机制全景图。此外,作者通过体内和体外等一系列分子实验阐明了代表性细胞蛋白HAX1对病毒包装和传播的抑制活性,为进一步确定CCHGV病毒的潜在治疗靶点提供了线索。这篇文章于2023年3月发表在Nature Communications(IF=14.7)杂志上,标题为“Interactome profiling of Crimean-Congo hemorrhagic fever virus glycoproteins”由我司韩强强博士、刘宜子以及刘通提供质谱技术支持

 

 

01
研究背景

 

克里米亚-刚果出血热病毒(CCHFV)是一种生物安全4级的病原体,可引发严重急性传染病,广泛流行于亚洲、非洲、南欧和中东的50多个国家和地区。该病毒的感染特征包括快速发作的高热、胃肠道症状、血小板减少、白细胞减少、肝酶升高、出血、多器官衰竭和休克,病死率高达60%。由于其高毒力、多样化的传播途径和不断扩大的地理分布,CCHFV已被世界卫生组织(WHO)列入优先研究病原名录。然而,目前尚无特异性药物或疫苗可用,且关于病毒-宿主相互作用的机制研究极为有限,这严重阻碍了治疗靶点的识别和特异性抗CCHFV策略的开发。

 

CCHFV的糖蛋白Gn/Gc在病毒生命周期中起着关键作用,尤其是在病毒进入宿主细胞和组装过程中。这些糖蛋白从内质网到高尔基体的运输和积累过程是后代病毒粒子形态发生所必需的,涉及复杂的糖蛋白(GPs)与宿主细胞因子的相互作用。然而,这些相互作用的具体机制尚不清楚。

 

本研究通过构建亲和纯化-串联质谱(AP-MS)确定了CCHFV Gn/Gc的宿主细胞相互作用组,并结合生物信息学分析和一系列验证实验,揭示了CCHFV GPs与宿主细胞之间复杂的相互作用网络。此外,研究还深入探讨了代表性GP相互作用宿主因子HCLS1相关蛋白X-1(HAX1)的作用机制,发现HAX1通过将Gn隔离到线粒体,破坏病毒糖蛋白的高尔基体定位,从而抑制病毒子代颗粒组装的全新抗病毒机制,为理解CCHFV生物学和开发宿主导向的抗病毒策略提供了重要基础。

 

02
研究样本

 

本研究使用Strep标签标记的Gn/Gc进行亲和纯化(AP)后的beads样本,以及空载质粒AP的beads样本,每组设置4个重复。实验细胞模型包括人胚胎肾293T(HEK293T)细胞和Huh7细胞(CCHFV病毒的另一种细胞模型)。此外。通过CRISPR-Cas9基因编辑技术构建了HAX1敲除的HEK293T细胞系,并建立了HAX1敲低的C57BL/6小鼠模型。

 

03
实验设计

 

基于pCAGGS载体构建的诱饵蛋白质粒Strep-tagged Gn2Strep/GnGcGc/2Strep和对照空载质粒转染HEK293T细胞。细胞裂解后,使用包被Strep-Tactin的磁珠进行亲和纯化。将富集后的免疫沉淀(IP样本进行质谱检测,构建病毒糖蛋白Gn/Gc与宿主因子的相互作用全景图。并使用肝Huh7细胞的pulldown实验验证了质谱分析结果。通过差异表达分析以及亚细胞定位分析,确定HAX1潜在的病毒靶向宿主因子。在HAX1敲除的HEK293T细胞模型和HAX1敲低的C57BL/6小鼠模型中,揭示了HAX1对病毒包装和传播的抑制活性并通过一系列分子实验探究病毒与宿主因子的相互作用机制,为理解病毒与宿主的相互作用提供了重要线索

 

图1 研究流程

 

04
实验结果

 

(1)鉴定与CCHFV GPs相互作用的宿主蛋白

 

前期通过IP-WB实验验证了带有strep标签的Gn/Gc在宿主细胞中高效表达。AP-MS分析结果表明,在Fc>2且P<0.05的筛选条件下,Strep标记的Gn和Gc沉淀物分别鉴定出34种和33种互作蛋白,其中22种宿主蛋白为两者共有。这些蛋白质可能是直接或间接与Gn/Gc相互作用的宿主蛋白,或与Gn/Gc相互作用的复合物。此外,非结构蛋白粘蛋白和GP38也被鉴定为Gn和Gc的相互作用蛋白,与先前报道的它们在病毒糖蛋白加工过程中的潜在辅助作用一致。

 

图2 鉴定与CCHFV GPs相互作用宿主蛋白

 

为了进一步验证蛋白质组学数据,研究者使用WB验证了几种代表性宿主蛋白的相互作用,包括KPNB1、HAX1、THBS4、ATP1A1、RPN1和HADHA。此外,在另一个CCHFV细胞模型肝Huh7细胞中的pulldown和WB实验也得到了类似的结果,进一步验证了质谱分析的准确性。

 

图3 相互作用蛋白验证

 

(2)CCHFV Gn/Gc相互作用宿主蛋白的生物信息学分析

 

CC富集分析表明,45个Gn/Gc相互作用蛋白主要富集于膜相关蛋白,如细胞器膜、线粒体、ER、细胞外泌体和细胞质小泡等。BP分析显示,这些互作蛋白主要富集在跨膜转运和ATP代谢等生物过程。此外,参与蛋白质折叠和蛋白质结合过程的分子也在GO条目显著富集,暗示了这些蛋白质在CCHFV糖蛋白生理学中的作用。

 

通过STRING分析,鉴定出97种高可信度的蛋白质相互作用关系。基于相互作用数量的核心网络算法,发现两个显著的子网络,这些“核心”网络富集在线粒体、内质网和细胞骨架,表明这些宿主因子可能在GP-宿主相互作用网络中发挥关键作用。

 

基于GO和相互作用网络分析,研究者将宿主蛋白映射到CCHFV的生命周期,绘制了CCHFV Gn/Gc与宿主细胞相互作用的潜在全局视图。通过这些主动或被动的相互作用,病毒蛋白可能调节细胞因子或受细胞因子调节,以促进病毒感染和致病性,或触发宿主的抗病毒防御机制,值得进一步研究。

 

图4 相互作用蛋白的生物信息学分析

 

(3)HAX1与CCHFV糖蛋白的相互作用和共定位

 

在这些相互作用蛋白中,HAX1主要位于线粒体上,并且与Gn/Gc表现出显著的相互作用。然而, CCHFV的糖蛋白是在内质网和高尔基体中产生和加工的。根据生物信息学分析结果,CCHFV糖蛋白与线粒体蛋白之间的相互作用在病毒感染中具有重要的生物学意义。因此,研究者进一步探讨了HAX1作为潜在的CCHFV靶向宿主因子的作用。

 

首先,通过HAX1反向S-Pulldown实验,验证了HAX1与CCHFV Gn/Gc的相互作用关系。随后,通过免疫荧光分析(IFA)和共聚焦显微镜监测CCHFV Gn/Gc和HAX1的细胞分布。在GPC和HAX1共表达的细胞中,Gn与HAX1显著共定位,而Gc与HAX1的共定位程度相对较低。随着HAX1的过表达, Gn的定位从核周聚集转变为分散分布,这不仅进一步支持了蛋白质相互作用的结果,还反映了HAX1对CCHFV糖蛋白,尤其是Gn的潜在影响。

 

图5 HAX1与CCHFV糖蛋白的相互作用和共定位

 

(4)HAX1将病毒糖蛋白(尤其是Gn)劫持到线粒体,破坏高尔基体定位

 

CHFV Gn定位到高尔基体对于病毒包装是必要的。研究者进一步研究了HAX1是否干扰Gn的高尔基体定位。高尔基体标记物(B4GALT1)的有效共定位表明,在没有HAX1过表达的情况下,Gn表现出明显的高尔基体分布;而在共表达HAX1的细胞中,Gn的定位模式明显从高尔基体斑块转变为分散的细胞质分布。线粒体标记物(MitoTracker)的共定位实验表明,Gn确实被HAX1显着重新定位到线粒体上。这些发现表明,通过蛋白质相互作用,HAX1可以将病毒包膜蛋白(尤其是Gn)隔离到线粒体,从而破坏高效病毒粒子包装所需的病毒蛋白的正确高尔基体定位。

 

图6 HAX1将病毒糖蛋白(尤其是Gn)劫持到线粒体,破坏高尔基体定位

 

(5)HAX1的N端和C端都是其将Gn劫持到线粒体所必需的

 

为了解决靶向CCHFV Gn所需的HAX1结构域,研究者基于预测的线性组织构建了几个HAX1截短突变体。Pulldown分析显示,由C端104-279 aa组成的突变体(HAX1-C1)和另一个包含118-279 aa区域的较短突变体(HAX1-C2)都表现出与Gn的明显相互作用。然而,N端 1-117 aa(HAX1-N)未能与Gn共沉淀。IFA和激光共聚焦结果显示,C-末端缺失突变体HAX1-N仍然主要定位在线粒体,但未能与Gn共定位。相比之下,缺乏N-末端的突变体HAX1-C1和HAX1-C2,表现出与HAX1-N和全长HAX1不同的分布模式,并失去了主要的线粒体定位。这些数据进一步证实了HAX1对CCHFV Gn的靶向性,并表明HAX1通过其C端与Gn的相互作用和N端对线粒体的靶向性,将Gn捕获到线粒体。

 

图7 HAX1的N端和C端都是其将Gn劫持到线粒体所必需的

 

(6) HAX1抑制CCHFV GP介导的病毒粒子包装,并作为CCHFV的重要宿主限制因子

 

鉴于HAX1将Gn隔离到线粒体,研究者推测宿主因子HAX1可能对糖蛋白介导的病毒粒子包装产生负面影响,从而对CCHFV的繁殖产生负面影响。研究者使用携带CCHFV糖蛋白的表达GFP假型病毒VSV(水泡性口炎病毒)报告系统评估了HAX1对CCHFV糖蛋白活性的影响。假型病毒系统已被广泛用于研究病毒包膜糖蛋白介导的进入或包装过程。

 

实验结果显示,HAX1并未显著影响携带CCHFV糖蛋白的假病毒(VSV△G/GFP-CG)的感染效率,表明HAX1可能不影响CCHFV糖蛋白定向的侵袭。然而,在HAX1过表达的情况下,VSV△G/GFP-CG的包装效率显著降低。相比之下,携带VSV糖蛋白的假病毒(VSV△G/GFP-VG)未受到HAX1的显著影响,表明HAX1对CCHFV糖蛋白驱动的病毒粒子包装具有特异性干扰。这些结果表明,通过将Gn捕获到线粒体,HAX1抑制了糖蛋白介导的子代病毒颗粒的包装。

 

8 HAX1抑制CCHFV GP介导的病毒粒子包装,并作为CCHFV的重要宿主限制因子

 

随后,研究者通过功能增益或丧失实验分析了HAX1对CCHFV感染的影响。试验结果表明,HAX1的过表达显著抑制了CCHFV的感染。此外,通过RNAi敲低HAX1或CRISPR-Cas9基因编辑敲除HAX1,会导致细胞中病毒蛋白和RNA丰度的显著增加,进一步证实了HAX1的抗CCHFV活性。病毒载量和病毒滴定分析也一致表明,HAX1-KO细胞产生新包装的子代病毒粒子的能力显著增强,进一步证实了HAX1作为宿主限制因子对CCHFV增殖的抑制作用。

 

图9 体外细胞实验证实HAX1作为宿主限制因子对CCHFV增殖的抑制作用

 

研究者通过瞬时转导表达特异性shRNA的慢病毒建立了HAX1敲除小鼠模型。尽管在感染的小鼠中均未观察到严重的临床症状或死亡,但在HAX1部分沉默的小鼠器官中,病毒载量显著增加,表明HAX1的敲除促进了CCHFV在体内的繁殖。这些数据进一步证实了HAX1作为CCHFV的宿主限制因子的作用。

 

图10 体内细胞实验证实HAX1作为宿主限制因子对CCHFV增殖的抑制作用

 

06
结论

 

本研究基于AP-MS/MS技术,全面评估了CCHFV Gn/Gc相互作用的宿主因子,并建立了关键病毒分子的相互作用机制。这些相互作用分析揭示了CCHFV糖蛋白在病毒生命周期中的广泛宿主相互作用,并可能为抗病毒药物的合理设计提供潜在靶点。此外,通过体外和体内实验,详细描述了HAX1的功能和机制。HAX1通过其C端与Gn的相互作用和N端对线粒体的靶向性,将Gn分隔到线粒体,从而减弱病毒糖蛋白介导的高尔基体包装,减少子代病毒的增殖,发挥抗CCHFV的宿主限制因子作用。这些发现提出了一种意想不到的HAX1/线粒体相关宿主抗病毒策略,也反映了本研究中基于质谱相互作用组的价值。

 

编者总结

本文是谱度众合的客户文章,开展的是分子机制研究,主要目标是查找病毒糖蛋白与宿主细胞的相互作用因子,为研究抗病毒药物治疗靶点提供线索。

 

本文的独特之处是以AP-MS数据为线索,根据病毒糖蛋白定位迁移的表型以及参与病毒粒子包装和传播的活性,设计了一系列分子实验,验证宿主因子对糖蛋白介导的的病毒生理生命周期的影响。文章提供了一个以AP-MS为核心结论,开展表型特征相关的分子实验验证的完整、严谨的研究思路,为AP-MS后续研究提供研究方案。

 

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撰稿人:周欣

审核人:肖宇琴

 

本文由谱度众合“生物标志物发现与药物靶点筛选平台”(该平台被认定为“国家生物产业基地公共服务平台”)完成蛋白质组学检测及分析工作。

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