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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(diǎn)

2021-06-16 09:08:34 來源：中國科學(xué)報(bào)

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(diǎn)。

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(bào)》就此采訪了論文通訊作者施一。

兩個(gè)關(guān)鍵“靶點(diǎn)”

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(huì)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(dòng)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(duì)前期分別解析了舊大陸和新大陸沙粒病毒群中兩個(gè)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(huì)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(huì)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(shí)驗(yàn)，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(shí)別模式，初步闡明了L聚合酶自身二聚化對(duì)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(jì)提供了新的候選靶點(diǎn)。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(duì)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(duì)復(fù)合物中一個(gè)Z蛋白以單體形式結(jié)合在一個(gè)聚合酶上，且結(jié)合位點(diǎn)位于聚合酶的“手掌結(jié)構(gòu)域”外圍，與RNA結(jié)合位點(diǎn)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(gè)催化基序的遠(yuǎn)端，推測可能阻礙這兩個(gè)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(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)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R(shí)NA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(jì)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