沙粒病毒基質蛋白Z負調控聚合酶活性的分子機理

　　沙粒病毒屬于沙粒病毒科（Arenaviridae），是一類有囊膜的、分節段單股負鏈RNA病毒（Segmented Negative-Sense RNA virus, sNSV）。其中，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（Mammarenavirus），其典型代表為拉沙病毒（Lassa virus, LASV）。LASV主要流行于非洲國家，每年可造成30,000-50,000人感染，約5000人死亡。目前針對大多數沙粒病毒感染尚沒有特效藥物與疫苗，相關疾病的治療仍具有較大困難。

　　由于沙粒病毒的復制主要依賴于病毒自身合成的病毒聚合酶來完成，這一分子機器在所有的沙粒病毒中較為保守，而宿主細胞內基本不具備相同功能的蛋白。因此，靶向病毒聚合酶的藥物便有希望能夠獲得良好的特異性。此外，在病毒生命周期中，沙粒病毒Z蛋白可以負調控聚合酶的活性以及促進病毒粒子組裝。揭示沙粒病毒L蛋白的工作機制及其與Z蛋白相互作用的分子機制對于全面了解沙粒病毒的復制機制至關重要，也將為沙粒病毒感染相關疾病的預防和治療提供新的指導方向。

　　根據沙粒病毒進化及其流行的地理學特征，哺乳動物沙粒病毒屬又可分為舊大陸（Old World, OW）和新大陸（New World, NW）沙粒病毒群。為了系統地研究沙粒病毒的復制機制，施一研究員團隊前期分別解析了OW和NW沙粒病毒群中兩個代表性病毒LASV和馬秋波病毒（Machupo virus, MACV）聚合酶（L蛋白）的精細三維結構。通過結構分析和生化實驗，他們發現沙粒病毒聚合酶的酶活中心處于天然開啟的活性構象，并揭示了聚合酶與RNA的識別模式，初步闡明了聚合酶自身二聚化對其復制和轉錄活性的調控作用。這些發現為理解不同的sNSV在進化上的聯系和差異提供了關鍵信息，也為后續靶向沙粒病毒聚合酶的藥物設計提供了新的候選靶點（Nature，2020, 579: 615-619）。

　　最近，該團隊進一步研究了沙粒病毒基質蛋白Z負調控聚合酶活性的分子機理。他們利用冷凍電鏡技術分別解析了LASV和MACV L蛋白與其相應基質蛋白Z結合的復合物結構，以及L-Z二元復合體與3’-vRNA結合的三元復合體結構。結構顯示，每對復合物中一個Z蛋白以單體形式結合在一個聚合酶上，且結合位點位于聚合酶的手掌結構域（Palm）外圍，與RNA結合位點相距甚遠，說明Z蛋白結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效應來負調控聚合酶活性。

　　 圖1. LASV/MACV L-Z及其與vRNA復合體的整體結構

　　（a）L蛋白和Z蛋白的結構域劃分示意圖；（b）LASV L-Z復合物的冷凍電鏡密度圖；

　　（c）MACV L-Z復合物的冷凍電鏡密度圖；（d）MACV-L-Z-vRNA復合物形成同源二聚體；（e）3’-vRNA結合位點的結構細節；（f）MACV-L-Z-vRNA復合物中Z蛋白結合位點的細節圖

　　通過對L-Z相互作用界面進行分析，研究人員發現Z蛋白結合在聚合酶中兩個催化基序（motifs D and E）的遠端，并處于多個結構域臨近界面上，推測可能阻礙這兩個催化元件在RNA合成過程中的構象變化，以使聚合酶失去催化活性。研究人員進一步利用氫氘交換質譜實驗證明了這個假設。

　　此外，研究人員發現Z蛋白通過其中間結構域與L蛋白結合，其中一段高度保守的疏水性loop主導了與L蛋白的相互作用。由于此結合基序高度保守，他們還觀察到LASV和MACV Z蛋白和L蛋白能夠在體外呈現交叉抑制效果，這一現象表明OW和NW沙粒病毒Z蛋白調控L蛋白RNA合成的保守機制。以上研究發現為靶向聚合酶的廣譜抗病毒藥物設計提供了全新方向，提示可以通過抑制聚合酶保守性功能基序的構象變化來進行廣譜性抑制劑開發。

　　圖2：Z蛋白對聚合酶的別構調控作用

　　（a）流感病毒聚合酶在催化前狀態下的結構，處于封閉構象（PDB ID: 6SZV）；（b）根據（a）中結構和新冠病毒聚合酶與核酸/藥物復合物結構（PDB ID: 7CTT）預測的LASV L催化前構象結構模型；（c）LASV L結構中motif D和E的結構細節；（d）LASV L中motif D（紅色）和E（黃色）的序列。質譜能夠檢測到的肽段用下劃線表示；（e）Z蛋白及其突變體對LASV L氘代速率的影響

　　此項工作系統地研究了沙粒病毒基質蛋白Z調控聚合酶活性的結構基礎，有助于進一步理解沙粒病毒復制的分子機制及其負調控機理。這些發現為開發針對各種高致病性沙粒病毒的廣譜抗病毒藥物提供了重要候選靶點。相關成果日前已在Nature Microbiology雜志上作為七月封面文章提前在線發表，題為“Cryo-EM structures of Lassa and Machupo virus polymerases complexed with cognate regulatory Z proteins identify targets for antivirals.”

　　中國科學院大學存濟醫學院博士生徐欣、中國科學院微生物研究所副研究員彭如超和助理研究員彭齊為論文的共同第一作者，施一研究員為通訊作者。此外，中國科學院微生物研究所高福院士、齊建勛研究員以及南方科技大學冷凍電鏡中心主任王培毅教授等專家也提供了大力支持。該項目獲得了中國科學院重點戰略性先導科技專項（B類），國家科技重大專項，國家自然科學基金委優秀青年基金項目和青年科學基金項目，中國科學技術協會青年人才托舉工程項目和中國科學院青年創新促進會等項目的經費支持。