研究闡釋皰疹病毒基因組包裝、穩(wěn)定及釋放過程的“壓力感應(yīng)和調(diào)控”分子機(jī)制

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人巨細(xì)胞病毒（human cytomegalovirus, HCMV）屬于皰疹病毒科β亞家族，是一種在人類中廣泛傳播的雙鏈DNA包膜病毒。HCMV感染會(huì)給免疫能力低下的人群（如器官移植患者或艾滋病人）帶來致命危害，此外，還會(huì)引發(fā)胎兒死亡和新生兒出身缺陷等后果。HCMV具有典型的皰疹病毒三層架構(gòu)：最外層是含有糖蛋白的脂質(zhì)雙分子層包膜（envelope），最內(nèi)層是包含dsDNA基因組的準(zhǔn)二十面體核衣殼（nucleocapsid），外層包膜和內(nèi)層核衣殼之間是由蛋白質(zhì)組成的間層（tegument）。負(fù)責(zé)基因組包裝和轉(zhuǎn)運(yùn)的核衣殼已成為皰疹病毒新型藥物開發(fā)的重要靶標(biāo)。皰疹病毒基因組的包裝過程受到核衣殼內(nèi)部基因組壓力的調(diào)控，通過一種被稱為“head-full”的機(jī)制來完成單位長(zhǎng)度的基因組包裝。然而，Portal不僅作為病毒基因組進(jìn)出的通道，也被認(rèn)為是其內(nèi)部壓力的感受器（pressure sensor）。HCMV 的基因組（235 kb）是已知人類病毒中最大的，而其核衣殼粒徑大小與其他皰疹病毒的衣殼大小相似，雖然已有多個(gè)α-（herpes simplex virus, HSV）和γ-亞家族（Kaposi’s sarcoma-associated virus, KSHV和Epstein-Bar virus, EBV）皰疹病毒的portal原位結(jié)構(gòu)獲得解析，但皰疹病毒portal如何感知這些不同的“head-full”信號(hào)以及核衣殼如何通過壓力變化精準(zhǔn)調(diào)控基因組轉(zhuǎn)運(yùn)過程等科學(xué)問題尚未被闡明。

　　7月28日，Nature Communications在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所研究員余學(xué)奎團(tuán)隊(duì)完成的題為Structural Basis for Genome Packaging, Retention, and Ejection in Human Cytomegalovirus的研究長(zhǎng)文。該研究利用冷凍電鏡技術(shù)，解析了首個(gè)β亞家族皰疹病毒——HCMV的高分辨率portal與衣殼頂點(diǎn)結(jié)合組分（capsid vertex-specific components, CVSC）的原位結(jié)構(gòu)，為理解皰疹病毒基因組包裝、穩(wěn)定和釋放過程中“壓力感應(yīng)與調(diào)控”的分子機(jī)制提供了新思路。

　　該研究中，研究人員通過優(yōu)化HCMV病毒培養(yǎng)方案，制備出包膜完整的高質(zhì)量HCMV樣品，并利用冷凍電鏡技術(shù)解析出HCMV核衣殼portal和CVSC高分辨率原位結(jié)構(gòu)。區(qū)別于已報(bào)道的其他皰疹病毒portal具有的5次（C5）-12次（C12）的雙重對(duì)稱失配結(jié)構(gòu)特征，HCMV核衣殼portal原位結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出C5-C6-C12的三重對(duì)稱失配，分別是：C5 10-helix anchor結(jié)構(gòu)域、C6 portal turret結(jié)構(gòu)域和C12 main body結(jié)構(gòu)域。其中，10-helix anchor首次在皰疹病毒中發(fā)現(xiàn)，其與緊密環(huán)繞portal的一段DNA（pDNA）發(fā)生互作。而pDNA在不同皰疹病毒中結(jié)構(gòu)保守，研究人員認(rèn)為其功能是在基因組包裝過程中壓縮portal，同時(shí)portal也在內(nèi)部壓力的推動(dòng)下向外移動(dòng)。當(dāng)portal達(dá)到最外位置且最緊密構(gòu)象時(shí)，便觸發(fā)“head-full”信號(hào)。研究人員進(jìn)一步提出HCMV特有的10-helix anchor通過作用于pDNA發(fā)揮“阻尼器”功能延緩核衣殼達(dá)到“head-full”狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)超大基因組的包裝；其次，具有6次對(duì)稱的portal turret通過其中一組helix結(jié)構(gòu)與相鄰一個(gè)主要衣殼蛋白的N端helix結(jié)構(gòu)（N-latch）發(fā)生互作，為穩(wěn)定核衣殼內(nèi)部超大基因組提供了重要支持。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)病毒包膜破裂后，核衣殼在portal頂點(diǎn)會(huì)發(fā)生整體位移和局部構(gòu)象變化，提示病毒通過包膜融合侵入細(xì)胞過程中，portal在感應(yīng)內(nèi)外壓力變化后能夠做出及時(shí)反饋以保證其內(nèi)部基因組的穩(wěn)定和正確釋放。

　　研究人員在前期研究中發(fā)現(xiàn)作用于衣殼頂點(diǎn)的CVSC在不同皰疹病毒中的結(jié)合數(shù)量不同，且與病毒基因組大小呈反相關(guān)關(guān)系，因此，提出了一種由CVSC輔助的“壓力調(diào)控”新機(jī)制來實(shí)現(xiàn)病毒基因組的轉(zhuǎn)運(yùn)。該研究進(jìn)一步為該論點(diǎn)提供了支持。研究人員發(fā)現(xiàn)HCMV的CVSC結(jié)合量顯著低于HSV-1、KSHV和EBV，而與之形成對(duì)比的是，HCMV包裝的基因組是最大的。

　　綜上，該研究描繪了HCMV核衣殼portal的結(jié)構(gòu)保守性與適應(yīng)性分子特征，進(jìn)一步探討了CVSC在病毒基因組轉(zhuǎn)運(yùn)中的新功能，同時(shí)結(jié)合病毒包膜融合前后核衣殼所發(fā)生的構(gòu)象變化，系統(tǒng)闡述了皰疹病毒實(shí)現(xiàn)病毒基因組包裝、穩(wěn)定和釋放等幾個(gè)關(guān)鍵步驟精準(zhǔn)調(diào)控的分子機(jī)制。研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金與上海揚(yáng)帆計(jì)劃資助。

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