清华大学医学院向烨研究组与美国国立卫生院Nancy J. Sullivan研究组和达特茅斯Geisel医学院Jason S. McLellan研究组合作于2016年2月25日在《科学》杂志在线发表题为“Structural and molecular basis for Ebola virus neutralization by protective human antibodies”研究论文阐述两种针对埃博拉病毒中和性抗体的作用机制。
埃博拉病毒中和性抗体mAb100和mAb114是从1995年Kikwit地区埃博拉疫情暴发时一名埃博拉病毒感染幸存者血清中分离得到。Nancy J. Sullivan研究组对一些列抗体实验筛选之后发现这两种抗体对动物的保护作用最明显。当两种抗体共同作用，或者mAb114抗体单独用于埃博拉病毒感染的动物时，动物全部存活下来，并且不再有病毒感染的临床表现。虽然是从20年之前感染病毒的幸存者血清中分离得到，但是这两种抗体对近40年来所有已知的埃博拉病毒都有中和活性。这两种抗体的发现及一系列性质鉴定工作在《科学》杂志同期的另一篇论文中有详细描述。
后续的实验发现这两种抗体的作用靶点都位于埃博拉病毒表面糖蛋白GP上。为了弄清楚这两种抗体是如何起作用，并且为何比已知作用于GP蛋白的抗体效果都要好，需要从结构生物学的角度弄清楚两种抗体与埃博拉病毒表面GP蛋白的结合方式和作用机理。利用清华大学冷冻电子显微镜平台的技术优势，向烨实验室完成了GP蛋白与两种抗体抗原结合片段（Fab）复合物在两种不同pH下的冷冻电镜结构研究，结合合作者的晶体学、生物化学的实验结果，揭示了埃博拉GP蛋白与两种抗体Fab片段复合物的精细结构，并依此解释了这两种高效抗体的作用机制。
埃博拉病毒属于带囊膜的线状病毒，在入侵宿主细胞的过程中，病毒首先会被内吞进入细胞内部，形成内吞体。随着内吞体中环境pH的降低，pH依赖的蛋白酶会剪切GP蛋白，从而暴露出受体结合区域 (receptor binding domain, RBD)；GP蛋白受体结合区域会进一步与宿主细胞内吞体膜上的受体蛋白NPC1相互作用，导致剪切后的GP蛋白进一步发生构象变化，从而引发后续的膜融合过程，使得病毒的囊膜与宿主内吞体膜发生融合，并将病毒遗传物质释放到宿主细胞的细胞质中，实现病毒对宿主细胞的感染。在此过程中，如果有抗体能够紧密结合GP蛋白的相关区域，阻碍这一过程中的任一关键步骤，就可能达到对抗病毒的效果。我们的研究发现，mAb100结合在GP蛋白的酶切位点处 (protease cleavage site)，在空间上阻碍了蛋白酶对GP蛋白的剪切，并且可以使GP蛋白在pH值降低时不发生显著构象变化；mAb114结合在GP蛋白的受体结合区域，能阻碍宿主细胞的受体与GP的相互作用。两种抗体通过对病毒进入宿主细胞过程中不同步骤的阻碍，起到了中和病毒，治疗疾病的目的。
这两种抗体的结合位点与之前已知的埃博拉GP蛋白抗体的结合位点都不太一样，尤其是mAb114抗体，它直接结合在GP蛋白的受体结合区域(RBD)，而RBD由于被GP蛋白的其他区域遮盖，之前的研究认为很难成为抗体的靶点。而这两种抗体起作用的步骤对所有线状病毒科的病毒都是共有的，包括对引起前年及去年非洲大爆发的埃博拉病毒以及另一种高致病性的马尔堡病毒，研究对针对这些病毒的疫苗和药物开发都可以起到了很好的指导作用。
此项工作由清华大学医学院向烨研究组、美国国立卫生院Nancy J. Sullivan研究组和达特茅斯Geisel医学院Jason S. McLellan研究组联合完成。电镜工作由清华大学医学院向烨研究组学生桂淼完成。桂淼与美国国立卫生院两位研究人员及达特茅斯Geisel医学院一位研究人员为工作的并列第一作者。清华大学医学院向烨研究员与美国国立卫生院Nancy J. Sullivan研究员为所发表论文的共同通讯作者。项目得到我国973项目（2015CB13910102），国家自然科学基金（81550001 & 31470721），中组部青年千人计划，感染性疾病诊治协同创新中心和北京清华大学结构生物学高精尖创新中心的大力支持。同时项目也得到国家蛋白质科学研究（北京）设施清华基地在电镜数据收集上的大力支持。
图、两种不同pH条件下埃博拉GP与Fab114和Fab100复合物冷冻电镜结构。