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埃博拉病毒属于丝状病毒科，是一类能够感染并引起人和灵长类动物发生埃博拉出血热的囊膜病毒。埃博拉病毒因其所引发的极高的病死率而被世界卫生组织列为对人类危害最严重的烈性病毒之一。自1976年首次发现至今，埃博拉病毒已经在非洲地区肆虐了近40年，给人类生命带来了极大的威胁，给非洲地区的经济造成了重大的损失。因而对埃博拉病毒的预防和控制一直是科学研究的重要内容。然而，目前人们对于埃博拉病毒的了解却非常有限。在众多的未知中，其细胞表面受体分子和膜融合机制相关信息的缺失使得针对埃博拉病毒的特效药物的设计和研发工作阻碍重重。 人T细胞免疫球蛋白黏蛋白1（T-cell immunoglobulin and mucin，hTIM-1）和C型尼曼匹克蛋白1(Niemann Pick C1，NPC1)被报道为Ebola病毒的侵入相关蛋白。然而其参与Ebola病毒侵入的作用机制还不清楚。本论文试图阐明TIM家族和NPC1的结构特征及其介导病毒侵入的机制。 NPC1是一种C型尼曼匹克病相关蛋白，分布于各个组织细胞中的晚期胞内体和溶酶体(Late endosome/Lysosome，LE/LY)膜上。NPC1基因上的功能缺失性突变可导致胆固醇等脂类分子在LE/LY中大量累积，引发的一种致死性的常染色体隐性遗传病，C型尼曼匹克病。最近的研究表明，NPC1分子是埃博拉病毒在LE/LY中的受体。它通过结合埃博拉病毒的囊膜糖蛋白介导了埃博拉病毒囊膜与LE/LY膜的融合和病毒核酸物质的释放。 本研究解析了埃博拉病毒GP蛋白酶切后形态GPcl蛋白(Cleaved GP，GPcl)和NPC1分子C结构域蛋白的复合物晶体结构。通过结构分析发现了二者相互作用的细节，即NPC1-C利用其突起的两个环结构探入到GPcl的疏水凹槽中，并利用疏水相互作用将二者结合在一起。在此基础上，我们通过比较GPcl分子结合NPC1-C前后的构象差别，发现在结合NPC1分子之后，GPcl分子在其融合肽区域发生了构象变化。进而推测这种构象变化导致了融合肽的弹出和膜融合的发生。 TIM基因家族发现于2001年，自发现之日起，一系列的证据表明该基因家族在调节移植耐受、自身免疫病等免疫反应，调节过敏和哮喘反应以及病毒应答方面发挥着重要作用。最近的研究表明，hTIM分子能够促进包括埃博拉病毒在内的很多囊膜病毒的入侵。hTIM介导的病毒入侵过程依赖于hTIM分子胞外区远膜端的免疫球蛋白V区（immunoglobulin variable，IgV）结构域与病毒囊膜上的磷脂酰丝氨酸（phosphotidylserine，PS）的特异性相互作用。人类TIM家族共有3个成员:hTIM-1、hTIM-3和hTIM-4。虽然相应的小鼠TIM分子的结构已经解析，但hTIM分子的IgV结构特征及其识别PS的分子基础仍然未知。 本研究表达纯化了埃博拉病毒GP蛋白和hTIM分子胞外段IgV结构域，利用表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）技术和分子筛层析技术证明了两者没有直接相互作用。同时，通过埃博拉假病毒感染系统证明了hTIM分子通过结合病毒囊膜中的PS分子进而促进病毒感染。这一结论进一步阐明了hTIM分子介导埃博拉病毒入侵细胞的分子机制。在此基础上，本研究解析了三种hTIM分子IgV结构域的高分辨率晶体结构以及hTIM-4与磷酸丝氨酸的复合物晶体结构。并发现了这三种hTIM分子的PS结合槽呈现出各自不同的、且不同于其小鼠同源分子的局部结构特征。这些结构特征很可能提示了hTIM分子不同于小鼠同源分子、且彼此间亦各不相同的PS识别模式。 综上所述，本研究全面的阐述了Ebola病毒黏附及膜融合过程，即病毒囊膜PS首先与宿主细胞表面的TIM分子结合，黏附到细胞表面，通过内吞作用进入内吞体，病毒GP蛋白被体内蛋白酶切割，去掉高度糖基化的“帽子”结构，然后与内吞体内的NPC1结合并发生膜融合，将病毒遗传物质释放到宿主细胞中。这是一种完全不同于已经发现的4种膜融合机制，我们把它定义为第五种膜融合机制。本研究为抗病毒药物和疫苗的设计提供了理论基础。