近日，中國(guó)科學(xué)院武漢病毒研究所抗病毒研究中心鄧增欽團(tuán)隊(duì)在非洲豬瘟病毒拓?fù)洚悩?gòu)酶的結(jié)構(gòu)解析和催化機(jī)制研究中取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Cryo-EM structures of African swine fever virus topoisomerase”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊mBio上。 

   DNA復(fù)制、重組和染色體分離等重要生物過程中都會(huì)導(dǎo)致DNA纏繞，即DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題，如果該問題得不到解決，將會(huì)造成基因組的不穩(wěn)定，從而降低細(xì)胞的生存能力。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶廣泛存在于古菌、原核生物、真核生物和一些核質(zhì)大DNA病毒中，其中Ⅱ型拓?fù)洚悩?gòu)酶可在DNA上產(chǎn)生雙鏈切口，松弛DNA超螺旋，進(jìn)而解決DNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題。拓?fù)洚悩?gòu)酶功能的重要性，使其成為多種抗腫瘤化療藥物和抗菌藥物的有效靶標(biāo)。目前，人們對(duì)拓?fù)洚悩?gòu)酶的認(rèn)識(shí)和理解主要來自于對(duì)真核生物以及細(xì)菌來源的拓?fù)洚悩?gòu)酶的研究，而對(duì)于病毒編碼的拓?fù)洚悩?gòu)酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制知之甚少。 

    非洲豬瘟病毒 (ASFV) 是一種高傳染性的雙鏈DNA病毒，可導(dǎo)致非洲豬瘟，感染后發(fā)病率和病死率可高達(dá)100%，目前尚無針對(duì)該病毒感染安全有效的商用疫苗和治療藥物。非洲豬瘟病毒編碼的Ⅱ型拓?fù)洚悩?gòu)酶P1192R在不同ASFV毒株中高度保守，且在病毒基因組復(fù)制過程中起著關(guān)鍵作用，是一個(gè)潛在的抗非洲豬瘟病毒藥物靶標(biāo)。 

    研究團(tuán)隊(duì)解析了兩種不同功能狀態(tài)下的P1192R冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖1）。盡管P1192R和已報(bào)道的其他真核和原核生物II型拓?fù)洚悩?gòu)酶的氨基酸序列同源性較低，但是其整體的三維結(jié)構(gòu)具有較高的相似性，即都形成同源二聚體，且每個(gè)單體主要由三個(gè)功能區(qū)域組成，分別是位于N末端的ATPase結(jié)構(gòu)域、中間區(qū)的DNA切割核心區(qū)以及C末端的Coiled-coil結(jié)構(gòu)域。值得注意的是解析的兩種不同狀態(tài)下的P1192R結(jié)構(gòu)的主要差異來源于C末端的Coiled-coil結(jié)構(gòu)域，其分別處于關(guān)閉和打開兩種構(gòu)象。這是首次在無DNA底物的情況下發(fā)現(xiàn)該區(qū)域呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)，暗示Ⅱ型拓?fù)洚悩?gòu)酶的Coiled-coil結(jié)構(gòu)域可自發(fā)地打開或關(guān)閉。 

     雖然ASFV P1192R相對(duì)于其他II型拓?fù)洚悩?gòu)酶整體結(jié)構(gòu)相似，但P1192R具有一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征（圖2），包括：活性位點(diǎn)兩對(duì)保守的離子鍵和一對(duì)疏水相互作用、TOPRIM結(jié)構(gòu)域中一段柔性的loop（Region 1）、Tower結(jié)構(gòu)域中一段額外插入的α-螺旋（Region 2）以及Coiled-coli結(jié)構(gòu)域中的“別針樣”結(jié)構(gòu)（Region 3）。體外生化實(shí)驗(yàn)表明P1192R中參與活性位點(diǎn)相互作用的氨基酸突變和Region 1的缺失，均會(huì)顯著降低P1192R的拓?fù)洚悩?gòu)酶活性；Region 2的缺失很可能影響P1192R的結(jié)構(gòu)完整性，進(jìn)而導(dǎo)致蛋白折疊異常；而Region 3關(guān)鍵疏水氨基酸的突變則會(huì)降低P1192R在反應(yīng)初始階段的效率。以上結(jié)果表明P1192R的特異性結(jié)構(gòu)對(duì)于其拓?fù)洚悩?gòu)酶活性的維持或結(jié)構(gòu)完整性非常重要。綜上，該項(xiàng)研究促進(jìn)了人們對(duì)于病毒拓?fù)洚悩?gòu)酶的結(jié)構(gòu)和功能的理解，為靶向病毒拓?fù)洚悩?gòu)酶的抗非洲豬瘟藥物的研發(fā)提供了重要依據(jù)。 

     武漢病毒所博士研究生趙艷與助理研究員匡文華為該論文的共同第一作者，鄧增欽研究員和匡文華助理研究員為共同通訊作者。該研究獲得了武漢市知識(shí)創(chuàng)新計(jì)劃基礎(chǔ)研究項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院率先行動(dòng)引才計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)支持。