科學家成功從結構上揭示牛痘病毒增殖機制

　　為了讓病毒增殖，它們通常需要被感染細胞的支持。在許多情況下，在感染附近的其他細胞之前，只有在宿主細胞的細胞核中才能找到它們復制它們自己的遺傳物質所需的分子。但是并非所有病毒都能進入細胞核中。一些病毒停留在細胞質中，因此必須能夠獨立地復制它們的遺傳物質。為此，它們必須帶上它們自己的“加工零件”。在這個過程中起關鍵作用是一種由各種亞基組成的特殊酶---RNA聚合酶---完成的。這種酶從病毒基因組中讀取遺傳信息，并將它轉錄為信使RNA（mRNA），并利用mRNA作為基因組中編碼蛋白的藍圖。

圖片來自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.11.024。

　　在兩項新的研究中，來自德國維爾茨堡大學生物中心和馬克斯普朗克生物物理化學研究所的研究人員如今首次成功過地在原子分辨率下解析出牛痘病毒RNA聚合酶（Vaccinia RNA polymerase, vRNAP）的三維結構。牛痘病毒屬于痘病毒家族，對人類無害，并構成所有天花疫苗的基礎。由于它的良好特性，它當前用于溶瘤病毒療法的測試中，其中溶瘤病毒療法是一種抵抗癌癥的新策略。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題分別為“Structural Basis of Poxvirus Transcription: Vaccinia RNA Polymerase Complexes”和“Structural Basis of Poxvirus Transcription: Transcribing and Capping Vaccinia Complexes”。這兩篇論文的通訊作者為維爾茨堡大學的Utz Fischer博士和馬克斯普朗克生物物理化學研究所的Patrick Cramer博士。

　　將所有東西夾在一起的分子鉗（molecular clamp）

　　Fischer解釋說，“vRNAP基本上以兩種形式存在：核心vRNAP和更大的完整vRNAP。這種完整vRNAP具有各種額外的亞基，因而具有特殊的功能。”這種核心vRNAP在很大程度上類似于另一種已知的酶：細胞RNA聚合酶II，它長期以來也一直是Cramer實驗室的研究重點。這是在細胞核中發現的，在那里它讀取基因組上的信息并將其轉錄成mRNA。 Fischer將這種完整vRNAP稱為‘全能者’。它由許多亞基組成，可以完成病毒的整個轉錄過程，從而使得這種病原體的增殖邁出了重要的一步。

　　這種完整vRNAP由這種病毒從它的宿主細胞中借出的一種稱為轉移RNA（tRNA）的分子結合在一起。這類分子通常在轉錄中不起作用，但為蛋白產生提供了氨基酸構成單元（building block）。維爾茨堡大學結構生物學家Clemens Grimm說：“如果沒有宿主tRNA的參與，這種龐大的具有所有特定亞基的分子機器就會瓦解。”Grimm與馬克斯普朗克生物物理化學研究所的Hauke Hillen一起執行結構分析。

　　這些研究人員猜測宿主tRNA分子除了具有連接功能外，還執行了另一項重要任務。維爾茨堡大學癌癥治療研究中心的Aladar Szalay解釋道，“這種tRNA僅能夠裝載谷氨酰胺。谷氨酰胺不僅是蛋白產生所必需的氨基酸，而且也是細胞的重要能量和氮源。”鑒于這種病毒的復制依賴于氮，因此tRNA可以充當傳感器，為這種病毒提供有關宿主細胞中當前氮含量的信息。如果氮水平降至一定值以下，那么這可能是這種病毒盡快離開宿主的信號。但是，到目前為止，這只是一種猜測。

　　為了了解這種病毒RNA聚合酶的工作原理，這些研究人員還確定了它在不同轉錄步驟中的三維結構。有了這些新發現，如今就可以從結構角度了解病毒增殖的整個過程。就像在電影中一樣，可以追蹤這種分子機器在原子水平上發揮功能以及各個過程是如何編排在一起的。 Hillen解釋說，“令人驚奇的是，這種分子機器的構成單元在轉錄開始后如何自我重新排列來驅動RNA產物的合成---這種復合物確實是極其動態變化的。”為了獲得這種新的見解，生物化學家和結構生物學家必須緊密合作：維爾茨堡大學的生物化學家Julia Bartuli和Kristina Bedenk在長達一年的過程中對這種具有所有相互作用組分的聚合酶復合物進行了純化并描述了它的生物化學特性。結構生物學家Grimm和Hillen隨后負責確定它的三維結構。

　　超級顯微鏡提供必要的數據

　　這些研究人員從近年來徹底改變了結構分析的裝置---最新一代的低溫電子顯微鏡---中獲得了數據。在30萬伏特的電壓下，它可通過向冷卻至-180℃的樣品發射電子，從而提供原子分辨率下的圖片。這種低溫電子顯微鏡使得研究生物分子和復合物以及重建它們的三維結構成為可能。

　　在大約六個月的時間里，Grimm和Hillen不得不使用計算機，直到他們從數TB的數據中獲得了這種聚合酶復合物的空間模型。有了三維鏡片，每個人如今都可以在空間上可視化觀察這種復合物，將它任意旋轉并將它分解為它的亞基。

　　除其他方面外，這些新發現如今使得開發抑制劑和調節劑來影響病毒增殖周期成為可能。鑒于牛痘病毒復制發生在細胞質中，因此這些研究人員還希望它具有治療潛力。當前，全世界都在進行牛痘病毒用于抗癌的研究。Genelux公司已經在動物實驗和患者中證實了經過特殊優化的牛痘病毒在縮小腫瘤和檢測最小轉移灶方面的潛力。此外，這些研究人員期待對相關的非病毒RNA聚合酶復合物的功能有新的令人興奮的見解。