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清華大學饒子和院士解讀非洲豬瘟病毒背景、病毒結構、表面蛋白和裝配過程
发布时间:2019/10/7 9:32:10 发布者:傲農集團

  非洲豬瘟病毒結構與組裝機制研究

  非洲猪瘟病毒自去年下半年肆虐中国以来,至今仍未上市相应疫苗产品。近日,中国科学院学部主席团成员、全国政协常委、清华大学教授饶子和院士在华东理工大学第41期通海讲堂暨第7期俊棠论坛,带来了主题报告:非洲豬瘟病毒結構與組裝機制研究。

  饒子和院士團隊主要從事新發、再發傳染病病原體的結構與功能研究,以及創新藥物的研發。在SARS冠狀病毒、禽流感病毒、甲肝病毒顆粒結構、埃博拉病毒、疱疹病毒結構以及結核分枝杆菌重要靶標蛋白結構與功能的研究中做出了突出貢獻。已在國際科學期刊上發表同行評審論文360余篇,其中包括在《Cell》《Nature》《Science》三大科學雜志的主刊上發表研究論文12篇,被引用逾16000次。

  病毒背景

  African swine fever virus(ASFV),即非洲猪瘟病毒,是非洲猪瘟病的主要病理成因。后者自1921年在肯尼亚被发现后,迄今已成为全球性的猪养殖防治难题,其发病致死率为100%,而至今针对ASFV的结构、抑制基因、逃逸相关蛋白、感染调节因子、天然免疫应答、有效抗体等的研究皆为空白。历史上,西班牙在没有有效疫苗的情况下,花了30年才将非洲猪瘟赶尽杀绝。2018年8月,国内沈阳市出现首例非洲猪瘟病例,至今疫情已扩散至33个省份,超过130万头家猪被扑杀,全国能繁母猪存栏数量从2018年1月的4000万头降至了2019年7月的不足500万头,造成巨大经济损失。

  病毒結構

  ASFV是一种多层包被结构,具双链DNA的大型正二十面体病毒,径长约250-260 nm,由基因组、核壳、内层衣壳和外层衣壳组成,含有至少160个基因和超过160种蛋白(目前仅鉴定5个,剩余未标注)。我们认为其结构之精巧,正像是一个“俄罗斯套娃”,即像俄罗斯套娃一样层层嵌套,外层衣壳保护着内层蛋白和核酸结构。

  虽然ASFV在病毒谱系树种的位置已经找到,但是人们对其的了解十分匮乏,同时因其形态远大于一般病毒(流感病毒、SARS病毒等仅几十纳米),使得结构观测具有难度。我们使用连续和非连续梯度离心纯化得到ASFV后,首先使用负染色法观测病毒结构,发现效果不理想后,遂决定使用冷冻电镜进行观测。由于ASFV体积过大,每次镜头只能容下1到2个完整病毒颗粒,我们需要通过精挑细选才能获得理想的电镜图片。我们首先获得的是2D图片,随后在此基础上重构了3D结构,达到了8.8 ?(长度单位:埃,1^10-10 m)的整体分辨率,其中点分辨率为0.1 ?,边分辨率为4.7 ?,面分辨率为4.8 ?。

  針對ASFV病毒顆粒獲得如此之高的分辨率,這是之前在整個學術屆都未曾達到的,我們可以自豪地宣稱,我們將ASFV的結構研究推向了一個全新的高度。

  表面蛋白

  所謂表面蛋白,指的是組成衣殼的基本蛋白元件。p72蛋白即是代表性的表面蛋白之一,它位于ASFV外層衣殼,由四個蛋白亞基ER1-ER4組成。它是一種潛在的表位蛋白,即可能作爲基因的呈遞通道,幫助病毒向外層表達一些信號分子。模式圖顯示,p72具有四個環結構,我們認爲,這可能作爲未來疫苗的開發靶點。p72的四個亞基在正二十面體的平面區域、“拉鏈”結構和頂點位置的組合方式有所不同,具體有頭對頭、頭對尾、尾對尾三種結合方式,以適應不同條件下的需求。

  而另一種蛋白p17,則ASFV的內膜具有10個海星狀的頂點結構,呈現爲類似海星的五聚體,其上有觸須向外伸展;此外還有180個六葉螺旋槳結構蛋白,和30個空洞結構。頂點和頂點之間通過一個像拉鏈的結構相連。實際上,這條“拉鏈”的骨架由1249個氨基酸相互鉚合組成,有三個頂點構成三角結構,就擁有了三條“拉鏈”,也就具備了合成內層衣殼的框架。此外,我們發現曾有觀點認爲空洞是由p49蛋白或p42蛋白包圍的,但根據我們的數據,實際上該空洞應該是由240個氨基酸包圍組成,其下方才是起鉚定作用的p49蛋白。

  裝配過程

  所有的病毒爲了生存和繁殖,都要經過基因的轉錄翻譯,形成蛋白,並裝配進入衣殼,形成保護內層核酸物質的屏障,就像病毒在穿衣服。其中p17蛋白在裝配中起主要作用,負責最早鉚釘在內膜上,並招募p72蛋白,通過配對方式形成拉鏈結構。在“拉鏈”周圍開始進行更多的蛋白裝配,並最終填滿整個平面。我們制作了一個精巧的豬瘟病毒的模型爲大家作演示,同時還播放了一段病毒組裝外殼的3D動畫,讓師生們直觀地看到了病毒蛋白裝配的過程。

  總結

  ASFV病毒直径约250 nm,共有3000多个蛋白拷贝,其中p72有8280个,p17有8280个,五聚体有60个,p49有60个,M1249L有60个;此外,核壳上尚有约10000个蛋白拷贝待鉴定。

  今年年初,我们花费了大量的时间和精力,对ASFV结构核装配过程开展研究。从去年年三十开始,我们就“驻扎”在了上海科技大学,在生命科学电镜平台,投入了5个月多的光阴,分析了愈100 TB的数据,终于得到了理想分辨率的病毒结构,值得欣慰的是,该成果业已被国际顶级学术期刊Science接收。


  饒子和院士,清華大學教授、上海科技大學特聘教授、中國科學院學部主席團成員、全國政協常委;曾任第十一屆全國人大代表、南開大學校長、中國科學院生物物理研究所所長。曾獲多項國際和國內榮譽,包括長江學者特聘教授、何梁何利基金科學與技術獎、第裏雅斯特科學獎、陳嘉庚科學獎和談家桢生命科學成就獎等。2003年以來,先後當選爲中國科學院院士、第三世界科學院院士、牛津大學赫特福德學院研究員、國際歐亞科學院院士及愛丁堡皇家學會通訊院士、哥拉斯哥大學和香港浸會大學榮譽博士,曾任中國晶體學會第三屆理事長、中國生物物理學會第八/九/十屆理事長,2014年至2017年任國際純粹與應用生物物理學聯合會(IUPAB)主席。

  资料来源:上海教育新聞网,作者:金寒草 整理报道。

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