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流感是由流感病毒引起的、流行于人群和多种动物中的急性、高度传染性疾病。四次大流感的暴发和每年季节性流感的传播严重威胁着人类健康并造成重大经济损失，不时突现的高致病性禽流感时刻警示人类新一轮大流感暴发的潜在可能。 血凝素(hemagglutinin，HA)是流感病毒表面参与受体结合、膜融合和病毒侵入宿主细胞的主要膜蛋白，是宿主中和性抗体的主要靶分子。HA与病毒的高致病性密切相关，也是病毒宿主范围的决定因素之一。HA介导的受体结合是流感病毒跨种间传播的主要决定因素。HA识别的是细胞表面糖蛋白和糖脂上的唾液酸受体，唾液酸通常以α-2，3或α-2，6糖苷键与半乳糖相连，不同的连接方式决定了病毒的宿主特异性。禽流感病毒通常选择性结合α-2，3受体，人流感病毒主要结合α-2，6受体。一旦禽流感病毒获得结合α-2，6受体的能力，则有可能发生跨种间传播感染人类，甚至引起大流行。阐明流感病毒发生跨种间传播的分子机制对于有效地预防和控制病毒的感染和传播至关重要。本研究利用杆状病毒表达载体系统表达可溶性HA蛋白，通过表面等离子共振技术以及X-射线晶体学等方法研究不同来源的HA蛋白及其突变体的受体结合特异性差异及其分子机制。 2009年暴发的H1N1甲型流感大流行具有极高的传染性，在全球范围内造成了巨大经济损失和人员死亡。我们解析了2009大流感病毒HA蛋白(09H1)的晶体结构，阐明了09H1的分子特征，并比较了09H1与其他HA蛋白特别是1918大流感病毒HA(18H1)的差异，发现09H1和18H1在整体结构以及五个主要抗原表位等结构模块都非常相似。由此成功揭示了经历过1918大流感的人身上分离的血清能够中和2009流感病毒，以及年轻人对这次大流感比较易感，而1918年前后出生的老年人对这次大流感相对不易感等现象的结构基础。我们进一步解析了09H1和18H1蛋白及突变体与受体类似物的复合物结构，发现D225G（H3排序）突变能够使得H1蛋白从只结合α-2，6受体变成α-2，3和α-2，6双受体结合，是由于D225G的突变破坏了野生型的D225氨基酸与K222之间的盐桥，使Q226残基获得了一定的柔性可以跟α-2，3受体发生相互作用，从而获得双受体结合能力，而D225E突变由于没有破坏盐桥的相互作用而保留了α-2，6受体结合特异性。这项研究工作阐明了这些HA突变体对病毒受体结合特异性和传播能力的影响，为预测大流感流行中出现的含有此类突变的新毒株的行为提供了结构依据。 近年来，H5N1禽流感在亚洲、欧洲、非洲以及中东地区的野鸟和家禽中广泛传播，并引起了数百例零星的人类感染。人类感染高致病性H5N1禽流感病毒后死亡率极高，所幸这种病毒还没有获得有效的人际传播能力。2012年6月，美国和荷兰的两个研究组分别报道了通过在H5N1的血凝素蛋白上人工引入几个突变使高致病性禽流感H5N1病毒获得通过空气途径在哺乳动物间传播的能力，再次引起了人们对H5N1病毒引发下一轮大流行可能性的关注。本研究表达了H5N1高致病性禽流感病毒A/Indonesia/5/2005分离株的HA蛋白(InH5)及其可在雪貂间传播的突变体的HA（InH5mut，含有H110Y/T160A/Q226L/G228S突变，H3排序），发现野生型的InH5选择性结合α-2，3受体，对α-2，6受体的亲和力很低。而突变型InH5mut获得了双受体结合能力，只是亲和力比野生型与α-2，3受体的结合要低。我们解析了InH5及InH5mut和人源/禽源受体类似物的复合物结构，发现关键的Q226L氨基酸突变通过引起受体糖链发生反式/顺式的构象转变来影响糖和受体结合位点的相互作用，从而改变了受体结合特性。本研究从分子层面上阐明了H5N1病毒如何在保留禽源受体结合能力的同时获得人源受体结合能力。本论文还表达了一系列据报道可能结合α-2，6受体的天然存在的H5病毒的HA蛋白，发现大部分蛋白只特异性结合禽源受体而与人源受体的亲和力很低。仅有一个来自H5N2高致病性禽流感病毒A/duck/China/023/2010的H5蛋白(Duck10-H5)对人源受体具有较高的亲和力，但同时也具有远远高于其他HA蛋白的禽源受体结合力。这些研究表明目前自然界中分离的H5病毒仍未获得有效的人际传播能力。 2013年2月，我国分离到一种新型的能感染人类的H7N9禽流感病毒，在短短3个月内造成了一百多例的散发性人类感染。我们之前的研究已表明Q226L氨基酸突变能使H5N1HA获得人源受体结合能力并降低禽源受体结合能力，而在这次的H7N9病毒中，除了早期的个别分离株（如A/Shanghai/1/2013，SH-H7N9）在226位是谷氨酰胺外，其余大多数分离株（如A/Anhui/1/2013，AH-H7N9）都自然获得了Q226L突变，由此推测AH-H7N9品系的病毒可能对人源受体具有高亲和力，能够发生人传人的感染。本研究表达了具有代表性的AH-H7和SH-H7蛋白，发现AH-H7能对人源和禽源受体都具有高亲和力，而SH-H7只结合禽源受体。我们解析了AH-H7和受体复合物的结构，发现疏水的L226残基与人源受体非极性部分相互吸引，使AH-H7获得了人源受体的结合能力，而G225和Q222残基通过氢键作用稳定了禽源受体的构象，使具有人特征的L226残基的AH-H7保留了与禽源受体的结合能力。这些研究为新型H7N9病毒如何在保留禽源受体结合能力的同时获得人源受体结合能力提供了分子层面的解释。 总之，本论文创造性地将结构生物学与各种生化、生物物理学手段以及功能研究等结合起来，对多种重要的、不同亚型的流感病毒HA蛋白进行了深入的结构和受体结合特性研究，阐明了流感病毒HA蛋白的受体结合特性转换机制，为解释流感病毒跨种间传播的内在机制提供了精细的结构基础。