囊膜病毒|结构生物学家之痛：艾滋、新冠等囊膜病毒罪犯，为何长相如此不同
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九种组装类型的囊膜病毒示意图 图源:[6]
具有二十面体对称衣壳的囊膜病毒颗粒
最早被解析的囊膜病毒是有正二十面体对称特征的 。这类病毒，例如裂谷热病毒、登革病毒等，均具有II类膜融合蛋白，这些蛋白结构高度保守并呈多种多聚形式 。它们没有基质蛋白，取而代之利用糖蛋白组装成衣壳 。
1995年德国海德堡欧洲分子生物学实验室 Stephen Fuller 等通过单颗粒平均法（SPA）解析了 Semliki 森林病毒（SFV，披膜病毒科）结构 [7] 。该病毒主要通过蚊虫叮咬传播，在啮齿动物中引起致命的脑炎，在人类中通常只有轻度的症状 。它具有二十面体蛋白外壳、脂质双层膜以及二十面体对称的核衣壳 。在当时有限的分辨率下，只能看到病毒的轮廓 。
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第一类囊膜病毒：由糖蛋白组装成正二十面体外壳，包括单层壳的RVFV和双正二十面体壳的SFV 图源：[8,9]
同样具有二十面体外壳和脂双层膜、但没有二十面体核衣壳的另一类病毒，也在早期就被解析出来 。引起发病率和死亡率很高的登革出血热和登革休克综合征的登革热病毒（DENV，黄病毒科），于2002年被美国普渡大学 Richard J Kuhn 等人确定了24 ?分辨率的结构 [10]，这是解析的第一个黄病毒结构 。2013年，直接电子检测器（DED）的出现以及电子显微镜硬件和图像处理软件方面的进步，催生了冷冻电镜的 “分辨率革命”，使得近原子分辨率成为可能 。而在 cryo-EM 的 “分辨率革命”之前，UCLA 的周正洪教授团队就通过CCD相机获得了3.5 ?分辨率的成熟登革热病毒结构 [11] 。
常在非洲与阿拉伯地区爆发的裂谷热病毒（RVFV，白蛉热病毒属），和DENV具有相似结构，由于其表面糖蛋白的柔韧性，早期基于单颗粒冷冻电镜重建的三维结构仅限于20?左右的分辨率 。直到2018年，我与牛津大学 Steinar Halldorsson 等同事通过采取改进样品制备策略、局部重建等手段获得了8-13?的RVFV病毒结构，并阐明了其融合机制 [12] 。
仅囊膜内具有二十面体蛋白壳层的病毒
除了上述两种在囊膜外侧具有二十面体对称蛋白外壳的病毒外，还有一类病毒的外囊膜包被着一层或多层二十面体对称蛋白或核衣壳：包括乙型肝炎病毒HBV [13]、疱疹病毒科（如HSV-1 [14]），以及19年饶子和团队解析的非洲猪瘟病毒ASFV [15] 。
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第二类囊膜病毒：外囊膜包被着一层或多层正二十面体对称蛋白衣壳 图源：[6]；Dryden et al., 2006; Wang et al., 2019; Grunewald et al., 2003.
非二十面体对称囊膜病毒及其糖蛋白
分辨率革命之后，以单颗粒方法解析正二十面体对称蛋白壳的结构已近成为常规 。但蛋白外壳具有二十面体对称性的囊膜病毒毕竟仅是少数，大部分囊膜病毒因为构象差异较大，无法通过单颗粒法获得完整结构 。这给高分辨率冷冻电镜结构解析带来了挑战 。而高分辨冷冻电镜断层成像（cryo-ET），因原始数据带有精确的Z轴信息，结合使用子断层图像平均法（STA），已被证明具备获得近原子分辨率的能力 。由于其在囊膜病毒原位结构方面独特的优势，被越来越多地用于研究病毒粒子的整体超微结构 。
拥有I型膜融合蛋白的病毒是囊膜病毒中被研究最多、最具代表性，也对现代人类健康最具威胁 。HIV与流感病毒汇聚了病毒研究领域的大多数资源，近20年反复爆发的冠状病毒、埃博拉病毒等也在快速吸引科研投入 。此类病毒表面的糖蛋白呈三聚体并随机分布，膜附近的基质蛋白为病毒提供组装 。
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