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科學(xué)家用冷凍電鏡技術(shù)解析兩種沙粒病毒為開發(fā)抗病毒藥物提供靶點

2021-06-16 09:08:34 來源：中國科學(xué)報

在6月14日以封面形式發(fā)表于《自然—微生物學(xué)》的一篇論文中，中科院微生物研究所研究員施一與合作者利用冷凍電鏡技術(shù)，解析了兩種沙粒病毒——拉沙病毒和馬秋波病毒的L聚合酶蛋白與其相應(yīng)基質(zhì)蛋白Z的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步揭示了Z蛋白負(fù)調(diào)控聚合酶活性的作用機(jī)制。相關(guān)發(fā)現(xiàn)可為開發(fā)廣譜抗病毒藥物提供潛在靶點。

那么，沙粒病毒是什么？其在全球感染情況如何？此次研究如何為開發(fā)廣譜性藥物提供指導(dǎo)？《中國科學(xué)報》就此采訪了論文通訊作者施一。

兩個關(guān)鍵“靶點”

沙粒病毒是一種RNA病毒，通過電鏡超薄切片觀察，因其病毒顆粒內(nèi)部通常會有來自宿主細(xì)胞的核糖體顆粒而呈現(xiàn)沙粒形態(tài)，故而得名。

施一介紹，目前所有已知能夠引起人類疾病的沙粒病毒都屬于哺乳動物沙粒病毒屬。

其典型代表為拉沙病毒。這種病毒通過老鼠等嚙齒動物排泄物及患者的血液和體液傳播，潛伏期為6天到21天，主要癥狀為發(fā)燒、頭痛、喉嚨痛、腹瀉、咳嗽等，嚴(yán)重時致人死亡。拉沙病毒主要流行于非洲西部國家，每年可影響200萬~300萬人，造成約5000到10000人死亡。

然而，目前對于拉沙病毒等大多數(shù)沙粒病毒感染，尚未有特效藥物與疫苗，相關(guān)疾病的治療仍具有較大困難。

沙粒病毒的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制主要依賴于病毒自身合成的“分子機(jī)器”——聚合酶（L蛋白）來完成。這一聚合酶對所有沙粒病毒來說都較為保守，相關(guān)靶向藥物更有希望獲得良好的特異性。

同時，在病毒生命周期中，沙粒病毒Z蛋白可以負(fù)調(diào)控L聚合酶的活性以及促進(jìn)病毒粒子組裝。

然而，Z蛋白調(diào)節(jié)L聚合酶活性的機(jī)制尚不清楚。

揭示沙粒病毒L聚合酶的工作機(jī)制及其與Z蛋白相互作用的分子機(jī)制，對于全面了解沙粒病毒的復(fù)制機(jī)制至關(guān)重要，也將為沙粒病毒感染相關(guān)疾病的預(yù)防和治療提供新的指導(dǎo)方向。

病毒復(fù)制“主控”：L聚合酶二聚化

根據(jù)沙粒病毒進(jìn)化及其流行的地理學(xué)特征，哺乳動物沙粒病毒屬又可分為舊大陸和新大陸沙粒病毒群。

為了系統(tǒng)地研究沙粒病毒的復(fù)制機(jī)制，施一團(tuán)隊前期分別解析了舊大陸和新大陸沙粒病毒群中兩個代表性病毒——拉沙病毒和馬秋波病毒聚合酶的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)。

馬秋波病毒于1959年首次在玻利維亞被發(fā)現(xiàn)，該病毒由老鼠攜帶。染病初期會出現(xiàn)流感樣癥狀，如發(fā)熱、頭痛以及厭食等。隨著病程進(jìn)一步惡化，患者會出現(xiàn)嘔吐、過敏以及血管損傷等癥狀，嚴(yán)重者甚至?xí)l(fā)展至全身性組織出血和多器官衰竭，從而引起死亡，病死率高達(dá)30%。

通過結(jié)構(gòu)分析和生化實驗，他們發(fā)現(xiàn)沙粒病毒聚合酶的酶活中心處于天然開啟的活性構(gòu)象，并揭示了聚合酶與RNA的識別模式，初步闡明了L聚合酶自身二聚化對其復(fù)制和轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控作用。

這些發(fā)現(xiàn)為理解不同沙粒病毒在進(jìn)化上的聯(lián)系和差異提供了關(guān)鍵信息，也為后續(xù)靶向沙粒病毒聚合酶的藥物設(shè)計提供了新的候選靶點。相關(guān)研究去年發(fā)表于《自然》。

Z蛋白：負(fù)調(diào)控聚合酶活性

在此基礎(chǔ)上，施一團(tuán)隊進(jìn)一步研究了沙粒病毒基質(zhì)蛋白Z負(fù)調(diào)控聚合酶活性的分子機(jī)理。

他們利用冷凍電鏡技術(shù)分別解析了拉沙病毒和馬秋波病毒聚合酶L蛋白與其相應(yīng)基質(zhì)蛋白Z結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，以及L-Z二元復(fù)合體與3’-vRNA結(jié)合的三元復(fù)合體結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)顯示，每對復(fù)合物中一個Z蛋白以單體形式結(jié)合在一個聚合酶上，且結(jié)合位點位于聚合酶的“手掌結(jié)構(gòu)域”外圍，與RNA結(jié)合位點相距甚遠(yuǎn)，說明Z蛋白結(jié)合后并不影響聚合酶“招募”RNA模板，暗示著Z蛋白可能是通過別構(gòu)效應(yīng)來負(fù)調(diào)控聚合酶活性。

研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，Z蛋白結(jié)合在聚合酶中兩個催化基序的遠(yuǎn)端，推測可能阻礙這兩個催化元件在RNA合成過程中的構(gòu)象變化，以使聚合酶失去催化活性。他們利用氫氘交換質(zhì)譜實驗證明了這個假設(shè)。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，Z蛋白通過其中間結(jié)構(gòu)域與L蛋白結(jié)合，其中一段高度保守的疏水性環(huán)主導(dǎo)了與L聚合酶蛋白的相互作用。

由于此結(jié)合基序高度保守，他們還觀察到拉沙病毒和馬秋波病毒Z蛋白和L蛋白能夠在體外呈現(xiàn)交叉抑制效果，這一現(xiàn)象表明舊大陸和新大陸沙粒病毒Z蛋白調(diào)控L蛋白RNA合成的保守機(jī)制。

作者表示，上述發(fā)現(xiàn)為靶向聚合酶的廣譜抗病毒藥物設(shè)計提供了全新方向，提示可以通過抑制聚合酶保守性功能基序的構(gòu)象變化來進(jìn)行廣譜性抑制劑開發(fā)。

標(biāo)簽：科學(xué)家冷凍電鏡技術(shù) 沙粒病毒抗病毒藥物