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清华大学饶子和院士解读非洲猪瘟病毒结构!

上海教育新闻网2019-10-06 21:42:51

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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:非洲猪瘟病毒结构与组装机制研究。
  非洲猪瘟病毒结构与组装机制研究
  
  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:非洲猪瘟病毒结构与组装机制研究。
 
非洲猪瘟病毒结构研究
  
  饶子和院士团队主要从事新发、再发传染病病原体的结构与功能研究,以及创新药物的研发。在SARS冠状病毒、禽流感病毒、甲肝病毒颗粒结构、埃博拉病毒、疱疹病毒结构以及结核分枝杆菌重要靶标蛋白结构与功能的研究中做出了突出贡献。已在国际科学期刊上发表同行评审论文360余篇,其中包括在《Cell》《Nature》《Science》三大科学杂志的主刊上发表研究论文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。
  
  病毒结构
  
  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 Å(长度单位:埃,1^10-10 m)的整体分辨率,其中点分辨率为0.1 Å,边分辨率为4.7 Å,面分辨率为4.8 Å。
  
  针对ASFV病毒颗粒获得如此之高的分辨率,这是之前在整个学术届都未曾达到的,我们可以自豪地宣称,我们将ASFV的结构研究推向了一个全新的高度。
  
  表面蛋白
  
  所谓表面蛋白,指的是组成衣壳的基本蛋白元件。p72蛋白即是代表性的表面蛋白之一,它位于ASFV外层衣壳,由四个蛋白亚基ER1-ER4组成。它是一种潜在的表位蛋白,即可能作为基因的呈递通道,帮助病毒向外层表达一些信号分子。模式图显示,p72具有四个环结构,我们认为,这可能作为未来疫苗的开发靶点。p72的四个亚基在正二十面体的平面区域、“拉链”结构和顶点位置的组合方式有所不同,具体有头对头、头对尾、尾对尾三种结合方式,以适应不同条件下的需求。
  
  而另一种蛋白p17,则ASFV的内膜具有10个海星状的顶点结构,呈现为类似海星的五聚体,其上有触须向外伸展;此外还有180个六叶螺旋桨结构蛋白,和30个空洞结构。顶点和顶点之间通过一个像拉链的结构相连。实际上,这条“拉链”的骨架由1249个氨基酸相互铆合组成,有三个顶点构成三角结构,就拥有了三条“拉链”,也就具备了合成内层衣壳的框架。此外,我们发现曾有观点认为空洞是由p49蛋白或p42蛋白包围的,但根据我们的数据,实际上该空洞应该是由240个氨基酸包围组成,其下方才是起铆定作用的p49蛋白。
  
  装配过程
  
  所有的病毒为了生存和繁殖,都要经过基因的转录翻译,形成蛋白,并装配进入衣壳,形成保护内层核酸物质的屏障,就像病毒在穿衣服。其中p17蛋白在装配中起主要作用,负责最早铆钉在内膜上,并招募p72蛋白,通过配对方式形成拉链结构。在“拉链”周围开始进行更多的蛋白装配,并最终填满整个平面。我们制作了一个精巧的猪瘟病毒的模型为大家作演示,同时还播放了一段病毒组装外壳的3D动画,让师生们直观地看到了病毒蛋白装配的过程。
  
  总结
  
  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。

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