加入收藏 | 繁体中文  
 当前日期:
文章搜索:    
· 首页 - 科技聚焦

科学家揭开埃博拉病毒“复制机器”的面纱

来源:中国科学报 冯丽妃 访问:246 时间:2022-09-30

  今年9月,非洲乌干达再次出现埃博拉疫情。这意味着埃博拉病毒这把“达摩克利斯之剑”依然悬在头顶,时刻威胁着人们的健康。

  科学界一直想研制一款成本低、有利于推广的广谱性抗埃博拉病毒小分子药物,却缺乏理论指导。埃博拉病毒聚合酶三维结构的解析是世界性难题。

  现在,中国科学院微生物研究所高福院士团队和施一研究员团队合作,首次解析了埃博拉病毒聚合酶复合物的三维结构,为从分子水平理解埃博拉病毒复制机制奠定了关键理论基础。他们还解析了百年老药苏拉明能有效抑制埃博拉病毒聚合酶活性的分子机制,为抗埃博拉病毒的药物开发提供了新的靶点和方向。相关研究9月28日发表于《自然》。

 找到“复制机器”

  埃博拉病毒病是由埃博拉病毒引起的烈性急性传染病,主要在人或灵长目动物之间传播。自1976年首次在非洲扎伊尔(现刚果民主共和国)和苏丹被发现后,埃博拉病毒已在非洲肆虐了近50年,暴发过30多次,造成数万人死亡,病死率最高可达90%。

  目前,市面上有两款扎伊尔型埃博拉病毒抗体药物。“抗体药物具有特异性,不能用于治疗其他类型埃博拉病毒以及马尔堡病毒等丝状病毒。而且容易发生免疫逃逸,有可能造成抗体药物效果变差甚至无效。”论文通讯作者施一对《中国科学报》说。

  此外,他表示,由于抗体药物制造成本比较高,需要低温储存,不利于在非洲地区普及推广使用。开发有效安全的广谱性抗病毒小分子药物是应对不同类型埃博拉病毒和其他丝状病毒感染的重要研究方向。

  科学家已经发现,埃博拉病毒基因组的转录与复制过程由病毒聚合酶L蛋白和其他辅助蛋白形成的复合物共同完成。聚合酶复合物是非常理想的广谱性抗病毒药物开发靶点。

  此前研究还发现,瑞德西韦和法比拉韦这两款药物具有良好的体外抗病毒活性,临床效果却不理想。目前,临床上尚无批准可用于治疗埃博拉病毒感染的小分子药物。

  那么,现有的靶向聚合酶药物如何进行结构优化?能否针对聚合酶保守位点开发新的药物来治疗埃博拉病毒病?回答这些问题,需要研究人员弄清楚埃博拉病毒的复制机制。

  埃博拉病毒属于丝状病毒科。过去近10年,科学家对这种病毒的复杂结构已经有了一些了解,比如它的核糖核酸(RNA)基因组被核蛋白(NP)包裹,形成核糖核蛋白复合体(RNP),进一步与聚合酶蛋白(L)、病毒辅助蛋白(VP35)、转录激活蛋白(VP30)和核衣壳相关蛋白(VP24)结合,形成螺旋状核衣壳结构,并被基质蛋白(VP40)环绕,进一步与病毒表面刺突糖蛋白(GP)形成完整病毒颗粒。

  解析埃博拉病毒聚合酶三维结构是全球病毒学家面临的一个挑战。经过多年尝试摸索,施一与高福合作团队获得了埃博拉病毒聚合酶复合物蛋白(L-VP35复合物),并利用冷冻电镜技术解析其高分辨率三维结构。他们发现,埃博拉病毒聚合酶L蛋白会与VP35蛋白四聚体形成稳定的复合物,进行病毒基因组复制和转录。

  揭开“共舞”机制

  通过深入观察,研究团队对聚合酶复合物的动态构象变化有了微观水平的了解。

  作为病毒“复制机器”的核心,聚合酶在生成子代RNA的过程中涉及多种构象变化,从而促进产物顺利合成。其中最重要的构象变化是从起始态到延伸态的转变。

  在此前研究的基础上,科研人员通过改变冷冻电镜的制样条件,捕捉到了埃博拉病毒聚合酶处于延伸态时的精细结构。

  VP35蛋白如何与L蛋白“共舞”?研究发现,在病毒复制过程中,VP35蛋白会像“桥梁”一样,起到连接L蛋白和RNP的功能。“当L蛋白进行病毒基因组复制时,以螺旋形的RNP为模板,而不是以裸露的RNA为模板,这时VP35蛋白主要行使分子伴侣功能,介导L蛋白以RNP为单元进行复制。”施一说。

  他解释,VP35蛋白四聚体除了中间的寡聚化结构域外,两头分别有4个N端(氨基端)结构域和4个C端(羧基端)结构域。

  其中一个C端结合到L蛋白上,进一步稳定L蛋白与VP35蛋白四聚体的结合,同时另外7个端会像“八爪鱼的腕足”一样,帮助L蛋白在RNP结构上发生滑动,并结合单体状态下的RNP,阻止其与宿主RNA发生非特异性相互作用,保证单体NP能够用于子代RNP的生成。

  “如果没有VP35蛋白,L蛋白就没法进行基因组复制和转录。”施一表示,如果阻断二者的结合,病毒将无法复制。

 指导药物设计与优化

  开发有效抑制埃博拉病毒的小分子药物一直是国际热点,也是难点。

  施一表示,了解L-VP35复合物相互作用界面的分子细节,为进一步开发靶向聚合酶的药物提供了新的靶点以及重要指导信息。

  值得注意的是,研究者指出,埃博拉病毒聚合酶的N端结构域区域具有一个丝状病毒特有的插入结构域,在其发挥活性时必不可少,可成为潜在的抗病毒药物研发靶点。

  研究团队还对百年老药苏拉明体外抗埃博拉病毒活性的分子机制进行了探索。

  苏拉明是20世纪初由德国化学家保罗·埃利希首次分离出来的,从20世纪20年代初被广泛用于治疗非洲昏睡病和盘尾丝虫病等寄生虫病。近年来,科学家发现苏拉明具有抗新冠肺炎以及癌症的活性。前期初步研究提示苏拉明也具有抗埃博拉病毒的活性,但其作用机制不甚清楚。

  研究人员通过体外酶活和细胞复制子实验,发现苏拉明能有效抑制埃博拉病毒聚合酶活性,并进一步利用冷冻电镜技术解析了埃博拉病毒聚合酶与苏拉明的复合物结构,揭示苏拉明是通过结合在聚合酶的三磷酸核糖核苷酸进入通道,阻碍底物进入酶活中心而发挥抑制作用。苏拉明与L蛋白相互作用的分子细节,为进一步改造和优化苏拉明药物提供了关键参考信息。

  一位同行评审人表示,埃博拉病毒L蛋白结构一直是该领域公认的空白,这项研究提供了重要信息,有助于促进基于结构的抗病毒药物设计。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05271-2

  (原载于《中国科学报》 2022-09-30 第1版 要闻)
【刷新页面】【加入收藏】【打印此文】 【关闭窗口】
上一篇:中科院发布“黑土粮仓”科技会战阶段性成果 下一篇:我国科学家在“从鱼到人”探源研究取得重大突破