責編丨兮、迦漵
評論丨郭培宣（俄亥俄州立大學）、餘學奎（中國科學院藥物研究所）
Protein & Cell雜誌2020年第五期封面。圖為皰疹病毒衣殼裝配的高解析度結構，解決了領域內20多年的爭議。
皰疹病毒科病毒是雙鏈DNA（double strands DNA, dsDNA）病毒，主要分為α皰疹病毒、β皰疹病和γ皰疹病毒三個亞科。其中有9種皰疹病毒能引起人類的多種疾病，並且皰疹病毒作為傳染性病毒在世界各地都有很高的感染率，以單純皰疹病毒為例，根據世界衛生組織2017年1月數據顯示，全球50歲以下的人群約有42億（約80%）感染單純皰疹病毒。皰疹病毒一旦感染便終身攜帶，目前尚無法根治。
單純皰疹病毒在分離提純過程中會得到三種顆粒，分別為內部空心的A型、內部具有支架蛋白的B型和內部具有核酸的C型顆粒，其中C型顆粒被認為是實心的成熟顆粒與成熟的胞外包有囊膜的病毒中的衣殼相同。
在之前的研究中發現，B顆粒和C顆粒除頂點複合物（CVSC）和內容物之外，其直徑和基礎成分不盡相同，都是由主要衣殼蛋白組成的六聚體和五聚體以及VP19C和VP23構成的異源三聚體構成，其中五聚體組成頂點，六聚體組成定點外的部分，但單純皰疹病毒同其他有尾病毒類似，其12個頂點中有一個特殊的頂點portal是核酸通道，在基因組包裝過程中與末端酶複合物協調發揮重要的作用。
許多dsDNA病毒均使用末端酶複合物來介導基因組的包裝以產生成熟的有感染力的病毒，其可以通過與病毒的portal蛋白協調互作來進行病毒基因組的轉運和特異性切割。基於這樣的生物學特性，末端酶複合物可以作為重要的藥物靶標來幹擾病毒顆粒的成熟，但目前關於皰疹病毒末端酶複合物的組成、結構以及其介導病毒基因組包裝過程的機制卻知之甚少，故而了解末端酶複合物的組裝方式及其介導生命周期的基本過程對特異性抗病毒藥物的研發和作用機理的研究均具有重要的指導意義。
近日，中國科學院生物物理研究所王祥喜研究員和饒子和院士合作在Protein& Cell雜誌上連續發表了皰疹病毒相關研究論文（Cover Story）。這兩項工作中研究人員分別通過對稱性適配算法解析了三種衣殼的核酸通道頂點的結構，通過對比三種衣殼的核酸通道頂點結構，完善了以組裝單元為基礎的單純皰疹病毒的組裝過程的起始和成熟過程，並首次解析了I型單純皰疹病毒末端酶複合物的原子解析度結構，闡明了末端酶複合物各組分之間複雜的相互作用方式和精細的結構信息，
並提出了其介導DNA包裝過程的分子機制，使我們對病毒基因組的包裝過程有了更深一步的了解，也為疾病的防治與治療奠定了基礎。這是饒子和/王祥喜聯合研究團隊繼解析HSV-2 B型顆粒精細三維結構(Yuan S, et.al Science 2018；Science長文丨饒子和團隊等揭示皰疹病毒的組裝機制）、HSV-2 C型顆粒精細三維結構(Wang J, et.al Nature Communications 2018；饒子和/王祥喜團隊揭示皰疹病毒的組裝和穩定性機制）後在皰疹領域最新的研究成果。
在本次研究中中國科學院生物物理研究所王祥喜/饒子和團隊等在解析病毒的B型、C型衣殼以及成熟病毒的衣殼模型的基礎上，通過對稱性適配算法分別解析了三種衣殼的核酸通道頂點的結構，通過對比三種衣殼的核酸通道頂點結構，發現了結構變化的潛在機制，為病毒衣殼的組裝的起始和成熟過程提供了新的結構生物學信息，基於這些結構信息，以組裝單元為基礎的單純皰疹病毒的組裝過程的起始和成熟過程得到了完善。
此外，研究人員以I型單純皰疹病毒末端酶複合物為研究對象，成功的解析了I型單純皰疹病毒末端酶複合物在apo(未加入ADPBeF3)和ADPBeF3結合狀態下的原子解析度結構。在該結構中，研究人員首次認識了末端酶複合物的組裝方式，首先末端酶複合物的三個蛋白質組分pUL15、pUL28和pUL33按1：1：1的比例組裝成異源三聚體，然後以異源三聚體為一個重複單位再組裝成六聚體（十八元複合物）或十二聚體（兩個六聚體組裝而成的三十六元複合物），其中六聚體是I型單純皰疹病毒末端酶複合物主要的存在形式。此外，pUL15、pUL28和pUL33作為末端酶複合物的組成成分均執行著重要的功能，其中pUL15為末端酶複合物轉運模式和切割模式的主要介導者，pUL28和pUL33在起始末端酶複合物的組裝以及保證其正確構象中的重要作用。
在過去的30年中，人們對病毒基因組包裝運動的動力馬達是組裝成六聚體還是五聚體進行了熱烈的爭論。同樣的，關於基因組的包裝機制也存在很大的爭議，一種認為末端酶複合物通過rotation的模式（五聚體狀態）將基因組dsDNA像擰螺絲一樣「擰」入前衣殼中，另外一種模式認為末端酶複合物通過revolution的模式（六聚體狀態）將基因組dsDNA以旋轉的方式泵入到前衣殼中並圍繞著前衣殼的空腔以螺線圈的形式有序的存在（下圖）。在解析的I型單純皰疹病毒末端酶複合物的六聚體結構中，基於一系列的結構分析與比較，科研人員認為其更傾向於採用revolution的模式進行基因組的轉運，並提出了分子機制。
據悉，中國科學院生物物理研究所王祥喜研究員和饒子和院士同為這兩篇文章的通訊作者。王男博士、陳文沅博士為文章「Structures of the portal vertex reveal essential protein-protein interactions for Herpesvirus assembly and maturation」的共同第一作者，楊雲翔博士和楊盼博士為文章「Architecture of the viral genome-packaging complex and implications for DNA translocation」的共同第一作者。
值得一提的是，俄亥俄州立大學郭培宣教授在同期發表的一篇評論性文章「High resolution structure of hexameric herpesvirus DNA-packaging motor elucidates revolving mechanism and ends 20-year fervent debate」中表示「Architecture of the viral genome-packaging complex and implications for DNA translocation」這篇文章為同類文章中首篇報導解析了末端酶複合物的高解析度結構的文章，同時這項研究成果結束了關於末端酶複合物是六聚體複合物還是五聚體複合物以及其介導基因組包裝過程的分子機制是採用rotation模式還是revolution模式20多年的爭論。
此外，在這篇評論性文章中郭培宣教授還從多個方面對六聚體的末端酶複合物採用revolution的模式進行病毒基因組轉運的合理性做了進一步的分析與支持。生物動力馬達在過去主要被分為兩類，分別為linear動力馬達和rotational動力馬達。有相關的研究表明，在噬菌體和皰疹病毒家族中扮演連接器角色的portal和末端酶複合物在基因組包裝期間均不會發生旋轉，而採用rotation模式的動力馬達通常是採用自我旋轉的方式轉運基因組，就像是地球每天的自轉，所以在portal和末端酶複合物均不發生旋轉的情況下，基因組是如何被轉運的是一個難以解答的問題。此時有相關研究者提出了一種新的模式—revolution模式，採用revolution模式的動力馬達介導的基因組轉運就像是一個物體圍繞著另一個物體轉動，類似於地球圍繞著太陽的運動，其可以在portal和末端酶複合物均不發生旋轉的情況下將基因組進行轉運。
郭培宣教授評價revolution模式的出現是一種必然現象，因為人類和許多其他生命系統中的基因組多是很長的dsDNA，如果均採用rotation模式來介導基因組的轉運，則基因組的旋轉將導致其捲曲以及纏結，當然這種超螺旋構象可以通過拓撲異構酶或解旋酶來解決，然而就能量消耗而言，當涉及龐大數量的基因組時，使用酶解決這種捲曲與纏結則需要消耗太多不必要的能量，固而進化出了一種revolution模式，採用revolution模式介導基因組轉運的動力馬達不用發生自我旋轉，其介導的基因組也不會出現捲曲以及纏結的現象，所以說revolution模式的出現是一種必然現象。
聚焦到最新發表的科研成果中，根據以往的結構分析及總結，發現採用rotation模式的動力馬達的中央通道直徑通常小於dsDNA的直徑（2 nm），若其大於2 nm，則動力馬達與被轉運的遺傳物質將不能很好的接觸而不能通過自我旋轉的方式轉運遺傳物質，故而適用revolution模式，而以往的研究也表明採用revolution模式的動力馬達的中央通道直徑通常大於3 nm。
對皰疹病毒而言，同期發表的文章「Structures of the portal vertex reveal essential protein-protein interactions for Herpesvirus assembly and maturation」中提到portal的直徑比dsDNA的直徑大約50%，而最新解析的六聚體末端酶複合物結構的中央通道直徑為3.9 nm，也大於dsDNA的直徑，這些特徵均表明在皰疹病毒中其基因組的轉運適合採用revolution模式。
此外，採用revolution模式的動力馬達需要進行連續的構象變化以利用ATP釋放的能量來驅動基因組的轉運，該最新研究成果報告了末端酶複合物的主要組分pUL15在ATP類似物存在以及不存在情況下兩種狀態的不同結構構象，這也為revolution模式分子機制研究提供了證據支持。當然在該篇評論中郭教授也對過去得到的五聚體末端酶複合物結構可能的原因做了合理的解釋，在許多六聚體環形的ATP酶中，精氨酸指可以充當兩個ATP酶亞基之間的橋梁，兩個相鄰的亞基可以形成更緊湊的二聚體構型，所以在低解析度Cryo-EM圖像中其可能作為單體出現，而動力馬達中一個二聚體和四個單體的存在將導致不對稱的六聚體環，故容易認為其是五聚體，而得到錯誤的五聚體結構。
此外，中國科學院藥物研究所餘學奎教授在發表的評論性文章「Progress towards revealing the mechanism of herpesvirus capsid maturation and genome packaging」中高度肯定了這兩項研究成果，稱這兩篇文章分別解釋了皰疹病毒末端酶複合物的工作機制以及基因組包裝過程中皰疹病毒顆粒的成熟過程這兩個科學問題。