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生物物理所等揭示哺乳動(dòng)物呼腸孤病毒轉(zhuǎn)錄激活和調(diào)控機(jī)制

軍工資源網(wǎng) 2022年12月07日

  12月5日,《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所朱平課題組和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱獸醫(yī)研究所王靖飛課題組合作完成的研究論文(In situ Structures of Polymerase Complex of Mammalian Reovirus Illuminate RdRp Activation and Transcription Regulation)。

  哺乳動(dòng)物呼腸孤病毒(Mammalian Reovirus,MRV)屬于呼腸孤病毒科,正呼腸孤病毒屬,是呼腸孤病毒科的典型代表,具有溶瘤病毒的特性。近期研究表明,MRV的溶瘤活性與病毒的轉(zhuǎn)錄效率密切相關(guān)。因此,剖析MRV的轉(zhuǎn)錄激活和轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制對(duì)于探索呼腸孤病毒科病毒的感染和復(fù)制過(guò)程,增強(qiáng)其溶瘤活性具有重要意義。MRV病毒顆粒內(nèi)含10條雙鏈RNA基因組,由2層衣殼蛋白緊密包裹。病毒入侵細(xì)胞后,外層衣殼逐漸解離,只保留內(nèi)層衣殼和內(nèi)部基因組形成的核心顆粒(Core particle)。Core particle具有轉(zhuǎn)錄活性,能夠利用五次軸內(nèi)部的轉(zhuǎn)錄酶復(fù)合物(包括RdRp和μ2蛋白)轉(zhuǎn)錄病毒基因組。RdRp轉(zhuǎn)錄出的初始轉(zhuǎn)錄本(Nascent transcript)進(jìn)入core particle外部的塔狀突起結(jié)構(gòu)。由λ3蛋白完成加帽反應(yīng)形成成熟的mRNA,且成熟的mRNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后翻譯病毒蛋白。

  朱平研究組等探究了MRV入侵過(guò)程中不同形式的顆粒,包括全病毒(virion)、脫外層衣殼的core particle(Uncoated core)、非轉(zhuǎn)錄態(tài)core particle(nT-core)和轉(zhuǎn)錄態(tài)core particle(T-core),并利用冷凍電鏡三維重構(gòu)技術(shù)解析了不同狀態(tài)下轉(zhuǎn)錄酶復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu),獲得了MRV轉(zhuǎn)錄過(guò)程中5種不同狀態(tài)的RdRp結(jié)構(gòu)——initiation state、unloaded state、reloaded state、 pre-elongation state、elongation state。研究顯示,在完整病毒顆粒中,RdRp處于轉(zhuǎn)錄起始狀態(tài)(initiation state),同時(shí),dsRNA基因組在RdRp模板進(jìn)口處解旋,且模板鏈(Template)伸入RdRp內(nèi)部指導(dǎo)3 nt左右轉(zhuǎn)錄本的生成,而RdRp中的priming loop元件像門(mén)栓一樣擋在轉(zhuǎn)錄本繼續(xù)延伸的位置,從而阻止轉(zhuǎn)錄的持續(xù)進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn),在外層衣殼蛋白脫落后形成的core particle中,RdRp發(fā)生了較大構(gòu)象變化,基因組RNA模板進(jìn)口處的RNA-loading region變得非常柔性和松弛,使得基因組RNA處于卸載狀態(tài)(unloaded state),轉(zhuǎn)錄處于不能繼續(xù)進(jìn)行的狀態(tài)。只有在轉(zhuǎn)錄底物存在的情況下,RdRp進(jìn)一步發(fā)生構(gòu)象變化,在脫衣殼后變得松弛的RNA-loading region才又恢復(fù)初始構(gòu)象,使得基因組RNA恢復(fù)到加載狀態(tài)(reloaded state),并進(jìn)一步進(jìn)入轉(zhuǎn)錄延伸前狀態(tài)(pre-elongation state)和最終的轉(zhuǎn)錄延伸狀態(tài)(elongation state)。隨著轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行,RdRp中在病毒轉(zhuǎn)錄起始狀態(tài)中起門(mén)栓阻擋作用的priming loop元件向C端結(jié)構(gòu)域(CTD)方向移動(dòng),并促使CTD發(fā)生構(gòu)象變化。這種構(gòu)象變化一方面使得RdRp中負(fù)責(zé)template-transcript hybrid解鏈的wedge helix元件移動(dòng)至hybrid的延伸路徑,導(dǎo)致hybrid的解鏈;另一方面釋放了transcript的出口,使得解鏈后的transcript順利轉(zhuǎn)移出RdRp。

  該研究揭示了哺乳動(dòng)物呼腸孤病毒MRV內(nèi)部轉(zhuǎn)錄酶復(fù)合物的組裝機(jī)制,揭示了reovirus入侵細(xì)胞過(guò)程中基因組的轉(zhuǎn)錄過(guò)程和結(jié)構(gòu)模型,有助于探索多層衣殼呼腸孤病毒的轉(zhuǎn)錄激活和轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制。

  研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)的支持。數(shù)據(jù)收集和樣品分析等工作得到了生物物理所生物成像中心、蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺(tái)等的幫助。

  論文鏈接 

哺乳動(dòng)物呼腸孤病毒轉(zhuǎn)錄模型

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