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娄智勇、邓菲合作团队首次报道发热伴血小板减少综合征病毒聚合酶L蛋白冷冻电镜结构
文章来源:    发布时间:2020-04-28    【字号:

2010年,我国首次发现了一种新的致病性病毒病原——发热伴血小板减少综合征病毒severe fever with thrombocytopenia syndrome virus, SFTSV,它能感染人导致严重的发热和血小板减少综合征疾病,致死率为5%-30%SFTSV属于布尼亚病毒目Bunyavirales白纤病毒科Phenuiviridae班阳病毒属Banyangvirus,是一种分节段的负链RNA病毒,其基因组包含LMS三个节段,分别编码RNA聚合酶、糖蛋白、核蛋白及非结构蛋白。迄今为止,对SFTSV的感染、转录、复制机制的了解并不十分清楚。

 

RNA聚合酶是病毒生命周期的关键蛋白,主要行使基因组转录和复制的功能。布尼亚病毒聚合酶L蛋白L protein由多个功能结构域组成,共同完成基因组合成过程。拉克罗斯病毒La Crosse virus, LACV聚合酶是第一个被解析的分节段负链RNA病毒的L蛋白结构,通过加入5’ 3’ vRNA,阐释了聚合酶蛋白与底物RNA的结合位置与作用模式,但因为缺少cap-binding domain CBD,阻碍了对不同结构域之间协作机制的探究。

 

近日,清华大学医学院娄智勇课题组与中国科学院武汉病毒研究所/生物安全大科学研究中心邓菲课题组合作在国际微生物学杂志《自然-微生物学》(Nature Microbiology)上发表题为“Structure of severe fever with thrombocytopenia syndrome virus L protein elucidates the mechanisms of viral transcription initiation(发热伴血小板减少综合征病毒L蛋白的结构解析阐明了病毒的转录起始机制)的文章,成功解析发热伴血小板减少综合征病毒聚合酶L蛋白SFTSV-L原子分辨率冷冻电镜结构,这是目前报道的首个节段型负链RNA病毒单一肽链聚合酶全长蛋白结构,初步解析SFTSV-L进行RNA转录起始的结构与功能作用机制。

 

研究解析的SFTSV-L结构整体分辨率3.4?,除柔性较大的C端外,其它部分分辨率均在4 ? 以内。L蛋白由2049个氨基酸组成,包含核酸内切酶endonuclease, endoNRNA依赖的RNA聚合酶RNA-dependent RNA polymerase, RdRpCBD三个保守的功能结构域和其特有的blocker(榫卯结构)lariat(套索结构(图1)。RdRp是整体结构的核心部分。

 

1. SFSTV-L局部分辨率计算结果(a)SFTSV-L结构域划分与cartoon示意图(b)

 

与其他分节段负链RNA病毒聚合酶结构相比,SFTSV-LendoNCBD的空间位置恰好相反,且endoNCBD的活性位点朝向相同方向(图2),阻止以cap-snatching”(抓帽)的方式从宿主mRNA切割获得帽子结构。基于这一结构特征,该结构所处的构象为preinitiation”(转录起始前)状态。

 

 


2. SFSTV-L结构比对结果。箭头所指位置为endoNCBD活性位点。

 

CBD行使与宿主成熟帽子结构结合的功能,活性口袋是由保守芳香族氨基酸组成的空腔。在SFTSV-L结构中,CBD活性位点被blocker基序遮蔽,尤其是顶端1843位的 Arg finger结构插在活性位点内部,造成帽子结构结合的空间位阻。因此,CBDblocker发生构象变化是聚合酶蛋白从preinitiationelongation”(延伸)变化的重要变构过程。(图3)。

 

 

3. SFSTV-L结构与野生型蛋白SPR结果(a)(e)SFTSV-L-CBD与临近结构域相互作用位点(b)半胱氨酸双突变株SPR结果 (c) (f)三双突变株SPR结果(d)(g)

 

lariatSFTSV-LC端的特有结构,与endoNLinkerPA-C-LikeRdRP corearm结构域分别以1039A?21190 A?2703 A?23424 A?2 2285 A?2 的接触面相结合(图4),使得整个SFTSV-L处在稳定的闭合构象,它的松动是其它结构域发生构象变化的前提。

 

4. SFSTV-L-lariat结构

 

基于结构分析和相关生化验证,合作组揭示了节段型负链RNA病毒转录起始的机制,并提出转录完整过程的模型(图5)。首先,lariat发生松动,使得endoN顺时针90°旋转,同时blockerCBD发生构象变化使CBD的活性中心暴露,与宿主帽子结构结合。此时,endoN沿空间X轴旋转180°,其活性中心面向CBD活性中心,切割得到成熟primer,随后primer被运送至RdRp催化中心,开始链的延伸。随着延伸的进行,一方面产物被送出,帽子结构远离CBDCBD再次被blocker结合,另一方面为防止endoN对产物的降解,它会逆时针旋转180°,使其活性中心再次背向CBD,同时lariat恢复至初始位置,为下一轮合成做准备。

 

5. 节段型负链RNA病毒基因组转录模型

 

SFTSV-L全长结构的解析不仅填补了分节段负链RNA病毒聚合酶结构生物学上的缺失,还进一步阐明转录起始过程中所发生的构象变化。该研究对深入探索病毒基因组合成机制起到重要作用,同时为抗病毒抑制剂的开发提供了理论支持。

清华大学生命学院博士生王盼盼、刘璐和刘爱军为本文共同第一作者。武汉病毒所邓菲研究员与清华大学医学院娄智勇教授为本文共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金以及国家蛋白质科学中心清华大学冷冻电镜平台等大力支持。