《自然》雜志5月30日在其網(wǎng)站發(fā)表了中科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、生命科學(xué)學(xué)院博士劉云濤、教授畢國強(qiáng)與合作者的研究論文，該工作利用冷凍電鏡首次解析了人類皰疹病毒基因組包裝的關(guān)鍵機(jī)制以及病毒的DNA基因組結(jié)構(gòu)，有助于預(yù)防和控制皰疹病毒引發(fā)的多種疾病，并可望改造皰疹病毒用于靶向治療。

皰疹病毒在自然界中廣泛存在，在感染人體后能夠引發(fā)多種疾病，包括帶狀皰疹、出生缺陷、多種免疫系統(tǒng)疾病以及癌癥。皰疹病毒包括囊膜、中間體蛋白層、衣殼和基因組四層結(jié)構(gòu)，其中衣殼通常被視為一個正二十面體，其上有一個獨特的DNA通道，是病毒基因組進(jìn)出的地方。在皰疹病毒生命周期中，最關(guān)鍵的過程之一就是將DNA剪切酶“召集”到該DNA通道上，識別、包裝和切割雙鏈DNA，最終產(chǎn)生含有基因組的病毒粒子。當(dāng)病毒基因組在病毒衣殼內(nèi)裝滿后，會發(fā)出某種信號，從而切除冗余的DNA以完成組裝。由于缺乏病毒基因組和衣殼DNA通道的高分辨結(jié)構(gòu)，人們對于病毒粒子的基因組包裝過程知之甚少。

圖1 基于連續(xù)局部分類和對稱性釋放的高分辨冷凍電鏡三維重構(gòu)方法

利用冷凍電鏡解析生物大分子的原子分辨率三維結(jié)構(gòu)已成常態(tài)，然而對于皰疹病毒基因組結(jié)構(gòu)以及包裝基因組的分子機(jī)器（即DNA通道）的結(jié)構(gòu)解析仍舊需要克服諸多困難，例如：1、皰疹病毒顆粒具有巨大的直徑，導(dǎo)致對于每個病毒顆粒來說，只有部分區(qū)域在冷凍電鏡成像時能夠很好地處于成像焦平面，極大限制了結(jié)構(gòu)解析的分辨率。2、通常對皰疹病毒結(jié)構(gòu)的解析采用正二十面體對稱的重構(gòu)方式來獲得高分辨衣殼結(jié)構(gòu)，但是DNA通道和基因組不符合二十面體對稱性。3、DNA具有雙螺旋對稱，DNA通道蛋白大致具有十二重對稱性，而病毒頂點的衣殼蛋白具有五重對稱性，這種偶聯(lián)的對稱性不匹配極大地增加了結(jié)構(gòu)解析的復(fù)雜度。

為了攻克這一難題，研究人員建立了一套基于連續(xù)局部分類和對稱性釋放的重構(gòu)方法，有效地從病毒的冷凍電鏡照片中重建出DNA通道的原子分辨率結(jié)構(gòu)和大部分基因組的三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)病毒基因組具有左手超螺旋的纏繞方式和一個無序核心。進(jìn)而，提出病毒可以通過序列識別和構(gòu)象傳遞兩種方式感知和傳遞基因組包裝的信號，并發(fā)現(xiàn)病毒使用“剛性框架-靈活連接”策略獲得不匹配的對稱性，這種不對稱性導(dǎo)致的棘輪運動可能是病毒DNA轉(zhuǎn)運進(jìn)出衣殼的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖2 完整人類單純皰疹病毒（HSV-1）的DNA通道蛋白和DNA基因組高分辨三維結(jié)構(gòu)

理解皰疹病毒DNA轉(zhuǎn)運和基因組包裝信號獲取和傳遞的基本規(guī)則，一方面有望針對性用于皰疹病毒引起的疾病的預(yù)防和控制；另一方面，這些發(fā)現(xiàn)有助于對皰疹病毒進(jìn)行改造，使其成為更實用的載體工具，并用于靶向治療或大腦神經(jīng)環(huán)路示蹤等。此外，病毒通過DNA超螺旋組裝方式來減輕基因組組裝過程中的DNA變形扭矩，對于揭示細(xì)胞的基因組組織結(jié)構(gòu)有借鑒意義。

該研究展示了皰癥病毒完整的非對稱結(jié)構(gòu)，獲得了第一個真核生物病毒的DNA通道原子模型，也是第一次探測到DNA在通道里的扭曲狀態(tài)。審稿人評論說，“作者采用最前沿的局部分類方法對皰疹病毒結(jié)構(gòu)的完美解析，堪稱高分辨冷凍電鏡三維重建的匠心力作。”

該研究得到科技部、微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的支持。微尺度集成影像中心、生命學(xué)院星云生物信息平臺為此項目提供了計算支持。