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先进的CryoEM揭示了病毒RNA复制复杂结构的惊人细节

莫里奇研究所的科学家首次生成了一种主要病毒蛋白复合物的近原子分辨率图像,该病毒复合物负责复制正链RNA病毒成员(包括和许多其他病原体。结果应有助于新型抗病毒药物的开发,并提供有关病毒生命周期的机理性见解。

威格康辛大学莫格里奇研究所约翰·W和珍妮·罗维病毒学研究中心主任,威斯康星大学教授,肿瘤学和分子病毒学教授保罗·阿奎斯特说:“可视化这种关键结构的迅速发展的能力正在改变游戏规则。” 麦迪逊 该研究的其他作者包括Nuruddin Unchwaniwala,Hong Zhan,Janice Pennington,Mark Horswill和Johan den Boon。

Ahlquist和他的团队使用一种称为冷冻电子显微镜(cryo-EM)断层扫描的先进技术,建立在他们先前的工作基础上,该工作首先揭示了这种RNA复制复合体的存在。

这项新的研究发表在7月20日的《美国国家科学院院刊》上,显示复制冠复合物的分辨率大大提高,约为8.5埃,相当于几个原子的间距。

“ Cryo-EM最近在功能上实现了飞跃,” Ahlquist说。“在这项研究中,我们的研究小组结合了多项进展,大大改善了样品制备,图像采集和图像处理,并绘制了复合物中特定蛋白质结构域的位置。”

这项工作中涉及的正链RNA病毒是六种遗传基因中最大的病毒,包括许多重要的病原体,例如寨卡病毒,登革热和基孔肯雅病毒,以及,例如SARS-CoV-2,是当前COVID的起因-19年大流行。

在每种正链RNA病毒中,大多数病毒基因都致力于单个过程:复制病毒RNA基因组。

“鉴于这种巨大的资源投入,病毒RNA基因组复制可以说是感染中最重要的过程之一,并且已经成为病毒控制的主要目标,” Ahlquist说。

在受感染的细胞内,病毒RNA复制发生在修饰的细胞膜上,通常与小球,病毒诱导的囊泡(大小约为50-100纳米)有关。Ahlquist和他的团队先前表明,在每种这样的基因组复制复合物中,病毒RNA基因组或染色体的副本在小球囊泡内部受到保护,可充当复制模板。复制复合体反复复制该档案病毒RNA染色体,以产生新的子代基因组,该子代基因组通过囊泡上的膜状颈部释放到细胞质中,并在其中掺入,作为新的传染性病毒体的有效载荷。

这项先前的工作进一步表明,诱导复制囊泡并复制病毒RNA的关键病毒蛋白位于醒目的环或冠状结构中,该结构位于与细胞质连接的球状颈的细胞质侧上方。

新的更高分辨率的cryo-EM图像和互补结果表明,冠状物由十二个拷贝的关键病毒RNA复制蛋白组成,像桶中的杠一样排列。此外,这些图像还显示出类似拉链的相互作用,就像桶上的铁环一样,将相邻的片段连接在一起以形成环状的冠状。这些拉链相互作用与Ahlquist组先前在该蛋白质中定位的多聚相互作用非常吻合。

形成冠状结构的病毒RNA复制蛋白是一种非常大的,多结构域,多功能的蛋白,大小接近1000个氨基酸。该蛋白质包含RNA聚合酶和RNA帽结构域(两个酶结构域,在许多正链RNA病毒中保守,用于合成新的病毒基因组拷贝),以及其他结构域,用于多聚,结合膜和其他功能。

这些域在冠状结构中的物理组织方式是理解复制复合体功能的最重要问题之一,并且是定义高分辨率冠状结构的几种强烈动机之一。

研究人员使用一种将基因工程改造的位点特异性标签与在冷冻电磁场中可见的纳米级金颗粒进行标记的方法相结合,研究人员发现病毒RNA复制蛋白的C端聚合酶末端位于冠的顶端,在结构的底部留下N端帽域,以与膜相互作用。

聚合酶的这种顶端位置对复制过程的早期步骤具有重要的机械意义,这些步骤将起始病毒RNA模板募集到复合物中并形成复制囊泡,并且对于随后的步骤(其中复制模板以形成新的子代基因组)被包装成传染性病毒颗粒。这些结果为进一步的实验提供了坚实的基础,以进一步定义复制复合体的结构和功能。

Ahlquist说:“我们希望继续改善RNA复制复合物冠状结构,以在将来提供其他重要的改进。” “我们还希望解决我们工作中越来越多的迹象,这些蛋白质的构象变化对于它们的多种功能至关重要。”

他补充说:“这些进展将越来越详细地揭示这些复合物如何组装和运行,以及如何最好地受到攻击。” “这些见解应为新型,更强大的抗病毒机制提供基础。”

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