非洲豬瘟病毒結構研究獲進展

非洲豬瘟病毒結構研究獲進展

2019-11-29 微生物研究所

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語音播報

　　近日，中國科學院微生物研究所高福團隊聯合中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所仇華吉團隊、南方科技大學王培毅團隊、中國科學院生物物理研究所章新政團隊以及微生物所施一團隊，在非洲豬瘟病毒（African swine fever virus，ASFV）結構領域取得新進展，解析了非洲豬瘟病毒衣殼（Capsid）的高解析度電鏡三維結構，並鑑定出多種關鍵的衣殼蛋白，為非洲豬瘟疫苗研發和疫病防控提供了重要的理論基礎。相關成果發表在國際期刊Cell Host & Microbe上，題為Cryo-EM Structure of the African Swine Fever Virus。

　　非洲豬瘟（African swine fever，ASF）是感染家豬和野豬的烈性傳染病，其發病率和致死率高達100%。早在1921年，非洲豬瘟就在非洲肯亞被首次發現，近百年來，已經擴散至南美洲、歐洲以及亞洲等多個國家。尤其最近一年來，非洲豬瘟在以中國為代表的亞洲國家肆虐，造成了數以億計的經濟損失。因此目前迫切需要研發安全有效的疫苗和防控技術來控制及預防非洲豬瘟疫情。非洲豬瘟病毒作為非洲豬瘟的病原體，是導致非洲豬瘟疫情的罪魁禍首，理解其基本構成和組裝機制對於疫情防控和疫苗研發至關重要。

　　通過收集大量的冷凍電鏡數據，研究人員成功解析了非洲豬瘟全病毒的精細三維結構。非洲豬瘟病毒顆粒具有獨特而複雜的五層結構，從外到內分別是外膜（Outer membrane）、衣殼（Capsid）、內膜（Inner membrane）、核殼（Core shell）以及核心（Nucleoid）。由於病毒結構本身具有較大柔性，研究人員運用了針對大病毒顆粒結構而開發的分塊重構算法（Block-based reconstruction），將一個不對稱單元分割成四個板塊分別進行重構，最終獲得了4.6埃解析度的衣殼結構。從整體上看，非洲豬瘟病毒衣殼結構跟其他核質大DNA病毒（nucleocytoplasmic large DNA viruses，NCLDVs）衣殼結構較為相似，由20個三重對稱殼粒聚集體（Trisymmetron）和12個五重對稱殼粒聚集體（Pentasymmetron）組成。其中，每個Trisymmetron由135個殼粒（Capsomer）組成，而每個Pentasymmetron由30個殼粒和1個五鄰體（Penton）組成。

　　通過對病毒衣殼結構的細緻分析，研究人員鑑定出了多種衣殼蛋白，分別是主要衣殼蛋白p72（Major capsid protein）、五鄰體蛋白（Penton protein）以及三種不同的次要衣殼蛋白（Minor capsid protein）。p72是非洲豬瘟病毒衣殼上含量最高的蛋白，位於衣殼的外層，是一種比較典型的雙「果凍卷」（Jelly-roll，JR）結構分子。p72蛋白在病毒衣殼表面以三聚體（Trimer）形式存在，從而形成了上述Trisymmetron、Pentasymmetron的基本單位——殼粒。另外一個位於衣殼外層的蛋白是五鄰體蛋白，位於5次軸的頂點，通過分子量估算和二級結構預測，研究人員推測五鄰體蛋白很有可能對應於非洲豬瘟病毒中的H240R蛋白。除了鑑定出p72和五鄰體蛋白這兩個衣殼外層蛋白，研究人員還鑑定出位於衣殼內部的三個不同的次要衣殼蛋白，分別命名為P1、P2和P3。這三個蛋白在衣殼的內部形成了一個複雜的相互作用網絡，像「膠水」一樣連接著相鄰的殼粒，從而穩定衣殼的整體結構。從分布上看，P1位於Trisymmetron和Pentasymmetron區域相鄰的p72三聚體（殼粒）間隙，每一個p72蛋白結合一個P1蛋白。而P2是一條長約100 nm的纖維狀的蛋白，沿著Trisymmetrons的邊緣延伸，相鄰的P2蛋白及其之間的區域組成了衣殼的「拉鏈」區域（Zipper）。研究人員發現，在「拉鏈」區域連接各個殼粒的次要衣殼蛋白的結構與P1有明顯不同，是一個新的次要衣殼蛋白，故命名為P3。後續研究將進一步鑑定這些次要衣殼蛋白的詳細信息，並深入分析其他可能參與病毒粒子組裝的結構成分。

　　值得指出的是，近日生物物理所饒子和團隊也發表了相似的研究成果，兩個團隊分別獨立解析了非洲豬瘟病毒的高解析度結構，並相互印證了其研究成果。這些精細的結構信息為人們了解非洲豬瘟病毒的基本結構和組裝機制提供了堅實基礎，對疫苗研發和疫病防控具有重要指導作用。

　　中國科學技術大學博士生劉升、哈爾濱獸醫研究所副研究員羅玉子、生物物理所博士生王雅娟以及微生物所助理研究員李世華為論文的並列第一作者；高福、仇華吉、王培毅、章新政以及施一為論文共同通訊作者。微生物所研究員齊建勳、畢鈺海和助理研究員彭如超，中科院北京生命科學研究院助理研究員宋豪以及南方科技大學冷凍電鏡中心王培毅團隊全體成員等對本課題給予了大力支持。該研究獲得中科院非洲豬瘟研究應急項目、國家自然科學基金、國家重點研發計劃以及中科院青年創新促進會等的經費支持。

　　論文連結

圖：非洲豬瘟全病毒結構（左上）、非洲豬瘟衣殼結構（右上）以及衣殼蛋白的分布模式圖（下）

　　近日，中國科學院微生物研究所高福團隊聯合中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所仇華吉團隊、南方科技大學王培毅團隊、中國科學院生物物理研究所章新政團隊以及微生物所施一團隊，在非洲豬瘟病毒（African swine fever virus，ASFV）結構領域取得新進展，解析了非洲豬瘟病毒衣殼（Capsid）的高解析度電鏡三維結構，並鑑定出多種關鍵的衣殼蛋白，為非洲豬瘟疫苗研發和疫病防控提供了重要的理論基礎。相關成果發表在國際期刊Cell Host & Microbe上，題為Cryo-EM Structure of the African Swine Fever Virus。
　　非洲豬瘟（African swine fever，ASF）是感染家豬和野豬的烈性傳染病，其發病率和致死率高達100%。早在1921年，非洲豬瘟就在非洲肯亞被首次發現，近百年來，已經擴散至南美洲、歐洲以及亞洲等多個國家。尤其最近一年來，非洲豬瘟在以中國為代表的亞洲國家肆虐，造成了數以億計的經濟損失。因此目前迫切需要研發安全有效的疫苗和防控技術來控制及預防非洲豬瘟疫情。非洲豬瘟病毒作為非洲豬瘟的病原體，是導致非洲豬瘟疫情的罪魁禍首，理解其基本構成和組裝機制對於疫情防控和疫苗研發至關重要。
　　通過收集大量的冷凍電鏡數據，研究人員成功解析了非洲豬瘟全病毒的精細三維結構。非洲豬瘟病毒顆粒具有獨特而複雜的五層結構，從外到內分別是外膜（Outer membrane）、衣殼（Capsid）、內膜（Inner membrane）、核殼（Core shell）以及核心（Nucleoid）。由於病毒結構本身具有較大柔性，研究人員運用了針對大病毒顆粒結構而開發的分塊重構算法（Block-based reconstruction），將一個不對稱單元分割成四個板塊分別進行重構，最終獲得了4.6埃解析度的衣殼結構。從整體上看，非洲豬瘟病毒衣殼結構跟其他核質大DNA病毒（nucleocytoplasmic large DNA viruses，NCLDVs）衣殼結構較為相似，由20個三重對稱殼粒聚集體（Trisymmetron）和12個五重對稱殼粒聚集體（Pentasymmetron）組成。其中，每個Trisymmetron由135個殼粒（Capsomer）組成，而每個Pentasymmetron由30個殼粒和1個五鄰體（Penton）組成。
　　通過對病毒衣殼結構的細緻分析，研究人員鑑定出了多種衣殼蛋白，分別是主要衣殼蛋白p72（Major capsid protein）、五鄰體蛋白（Penton protein）以及三種不同的次要衣殼蛋白（Minor capsid protein）。p72是非洲豬瘟病毒衣殼上含量最高的蛋白，位於衣殼的外層，是一種比較典型的雙「果凍卷」（Jelly-roll，JR）結構分子。p72蛋白在病毒衣殼表面以三聚體（Trimer）形式存在，從而形成了上述Trisymmetron、Pentasymmetron的基本單位——殼粒。另外一個位於衣殼外層的蛋白是五鄰體蛋白，位於5次軸的頂點，通過分子量估算和二級結構預測，研究人員推測五鄰體蛋白很有可能對應於非洲豬瘟病毒中的H240R蛋白。除了鑑定出p72和五鄰體蛋白這兩個衣殼外層蛋白，研究人員還鑑定出位於衣殼內部的三個不同的次要衣殼蛋白，分別命名為P1、P2和P3。這三個蛋白在衣殼的內部形成了一個複雜的相互作用網絡，像「膠水」一樣連接著相鄰的殼粒，從而穩定衣殼的整體結構。從分布上看，P1位於Trisymmetron和Pentasymmetron區域相鄰的p72三聚體（殼粒）間隙，每一個p72蛋白結合一個P1蛋白。而P2是一條長約100 nm的纖維狀的蛋白，沿著Trisymmetrons的邊緣延伸，相鄰的P2蛋白及其之間的區域組成了衣殼的「拉鏈」區域（Zipper）。研究人員發現，在「拉鏈」區域連接各個殼粒的次要衣殼蛋白的結構與P1有明顯不同，是一個新的次要衣殼蛋白，故命名為P3。後續研究將進一步鑑定這些次要衣殼蛋白的詳細信息，並深入分析其他可能參與病毒粒子組裝的結構成分。
　　值得指出的是，近日生物物理所饒子和團隊也發表了相似的研究成果，兩個團隊分別獨立解析了非洲豬瘟病毒的高解析度結構，並相互印證了其研究成果。這些精細的結構信息為人們了解非洲豬瘟病毒的基本結構和組裝機制提供了堅實基礎，對疫苗研發和疫病防控具有重要指導作用。
　　中國科學技術大學博士生劉升、哈爾濱獸醫研究所副研究員羅玉子、生物物理所博士生王雅娟以及微生物所助理研究員李世華為論文的並列第一作者；高福、仇華吉、王培毅、章新政以及施一為論文共同通訊作者。微生物所研究員齊建勳、畢鈺海和助理研究員彭如超，中科院北京生命科學研究院助理研究員宋豪以及南方科技大學冷凍電鏡中心王培毅團隊全體成員等對本課題給予了大力支持。該研究獲得中科院非洲豬瘟研究應急項目、國家自然科學基金、國家重點研發計劃以及中科院青年創新促進會等的經費支持。
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　　圖：非洲豬瘟全病毒結構（左上）、非洲豬瘟衣殼結構（右上）以及衣殼蛋白的分布模式圖（下）
　　

列印 責任編輯：葉瑞優