非洲豬瘟病毒裡 基因「針線」繡功了得
本報記者 張佳星
非洲豬瘟100%的致死率令養殖場措手不及，侵入豬身體裡的病毒為什麼可以長驅直入？有沒有什麼辦法能夠阻止它的入侵呢？
日前，我國復旦大學生命科學學院、遺傳工程國家重點實驗室甘建華課題組與李繼喜課題組合作，研究解析了非洲豬瘟病毒DNA修復通路上一種關鍵酶的結構。相關研究成果在線發表於《自然·通訊》。
這種關鍵酶是連接酶，被稱為基因「針線」，用於將不同的DNA片段連接起來。這次通過解析非洲豬瘟病毒DNA連接酶的分子機制，研究團隊找到了非洲豬瘟病毒的保守位點，為針對非洲豬瘟病毒DNA修復通路蛋白的藥物設計提供了結構基礎。
斷尾求生，病毒躲過宿主免疫系統
「人們會發現，患了豬瘟的病豬會發生脾臟腫大，脾臟是重要的免疫器官，那說明它的免疫系統『奮力作戰』了。」李繼喜說，但是非洲豬瘟病毒很聰明，在進入體內後會不斷變化，讓免疫系統「抓不到」。
它的變化很像壁虎的「斷尾求生」。「對於宿主免疫系統要攻擊的DNA片段，它會剪切掉，然後再重新『長出來』。」李繼喜說。「長出來」意味著DNA的延長、重組，這個過程需要兩種DNA聚合酶(X和P)和一種DNA連接酶。
「有這3種酶參與的整個過程形成了一套完整的DNA修復通路。」李繼喜說，團隊已經解出了其中的一種聚合酶，文章2017年發表，揭示了聚合酶X擁有一個獨特的磷酸根識別位點；另一種聚合酶的研究已經收尾，正在進行結果整理和論文編寫工作，至此團隊已經「全面打通」整個通路的關鍵節點。
病毒更狡猾的地方在於它新長出來的DNA片段和原來的不同，使得宿主體內的免疫系統措手不及，難以鎖定攻擊目標。非洲豬瘟病毒也是如此，其基因組修復時會發生突變，讓免疫系統無法精準識別，進而使得針對它們的狙擊，無法奏效。
解析度高，晶體法定格「繡娘」手法
俗話說，「萬變不離其宗」。既然病毒DNA修復時有千變萬化，有沒有可能找到所謂的「宗」即保守區呢？
這就要對關鍵酶進行高精度的結構解析。團隊選擇了X-射線晶體學方法，與聲名鵲起的冷凍電鏡方法相比，前者的解析度更高，且一旦摸索好條件後，更易重複。
結晶條件的摸索卻是非常艱難的過程。「我們用基因工程的方法，讓非洲豬瘟病毒的連接酶在工程菌中大量表達，通過純化柱等方法將蛋白純化出來。」李繼喜說。這個時候目標蛋白還在溶液中，與同自己性質、分子量相近的「兄弟姐妹」在一起。
團隊進行了上千次相關參數的摸索，最終得到了均一性高的完美晶型，通過X光衍射、三維重構等方法，獲得了解析度達到2.5埃的連接酶分子結構。
在超高解析度下，科學家可以看到蛋白質中每個胺基酸單體的相互作用、電子密度雲的情況，目擊氫鍵間的相互連接，從而判斷和預測作為「繡娘」的DNA連接酶將用哪些可能的針法將什麼樣的DNA片段連接起來。
親見「凹造型」，鎖定藥物設計潛力點
預測之後，必須親見。利用X-射線晶體學方法獲取酶與DNA作用的「影像」，將對酶與底物相互作用時的「凹造型」一目了然。
為此，根據已經獲得的連接酶分子結構，參考相關文獻，團隊設計了10幾種可能的DNA片段，試試連接酶的「功力」。「DNA片段有長有短，含有的鹼基對數量8到20個不等。」李繼喜說。
對於這些不同的DNA底物分子，連接酶表現了不同的活性。從本質上說，它們之間的反應是酶促反應。分析發現，非洲豬瘟病毒連接酶在底物催化位點附近具有一些明顯不同的胺基酸組成。蛋白突變、體外DNA結合以及活性研究顯示，催化位點附近的胺基酸對其與DNA形成複合物及活性至關重要。
李繼喜解釋道：「單獨的酶的構象可以想像成一個三節棍，當和DNA作用時，這個三節棍的三段會發生變化，收攏到一起形成一個『口袋』狀，把DNA關在裡面，促成DNA連接反應的進行。」
高解析度結構顯示，該連接酶在N-端具有一個獨特的DNA結合結構域(NTD)，該結構域對底物結合十分重要。
「這就好比『口袋』入口的地方有個把門的，這個獨特的結合結構域『認可』了，才能被連接酶納入到口袋中，促進DNA的反應，如果這個『把門』的不同意，就無法進行DNA的『縫合』工作。」李繼喜說。
可以針對這個獨特的位點設計藥物，阻斷連接酶的工作，進而掌握抑制病毒的方法。「已有研究發現病毒的成熟顆粒中含有連接酶，也就是說病毒已經進入了宿主細胞，並進行了翻譯和組裝之後，才會啟動連接酶的翻譯工作。」李繼喜說，因此以該位點為靶點的藥物並不能預防非洲豬瘟的感染，而是對豬瘟進行治療。目前，該團隊已經開始與北大團隊合作開啟化合物的篩選工作。