作者:冯丽妃 来源:科学网微信公号 发布时间:2022/12/16 13:49:18
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高福/施一团队最新Science:揭开猴痘病毒复制机器面纱

 

文|《中国科学报》记者 冯丽妃

提起猴痘病毒,人们可能已不再陌生。今年7月,世界卫生组织(WHO)宣布猴痘疫情为全球突发公共卫生事件。截至12月,全球110个国家已确认造成超过8.2万人感染。今年9月,重庆就曾有一例境外输入病例,我国香港、台湾也报道过类似病例。

事实上,猴痘病毒被发现至今已有60多年,却一直处于科学研究边缘。中国科学院微生物所高福/施一团队最新研究揭开了猴痘病毒复制“机器”——聚合酶全酶复合物的高清结构,为抗痘病毒药物设计提供了靶标。相关论文12月16日发表于《科学》杂志。

 

“做研究一定要平急结合,‘平’时干的事要能解决‘急’时的需求。”中科院院士高福强调。

关于此次研究,《中国科学报》分别采访了两位论文共同通讯作者高福院士和施一,以下为主要采访内容。

高福

潜在的威胁

今年5月起,英国、西班牙、美国等全球十多个国家相继发现猴痘确诊病例,此后病例数量大幅增加,引发国际关注。

据报道,猴痘潜伏期通常为一到两周,发病后主要表现为高热、局部淋巴结肿大及全身水疱脓疱,伴有出血倾向。

那么,猴痘病毒的传播力如何?传播途径有哪些呢?

施一介绍,猴痘病毒此前主要分成两支:刚果盆地(中非)分支和西非分支。前者毒力较强,病死率可达10%~13%左右;西非毒株毒力较弱,病死率在1%~3%左右。由于猴痘一直以来主要在非洲地区流行,非洲以外的国家大多为与携带猴痘病毒的啮齿类动物接触而发生的输入性感染,这也使得该病毒研究处于边缘地带。

他表示,最近欧美非流行国家暴发的猴痘毒株跟西非分支比较接近,但也发生了一定程度的进化,毒力大为减弱,目前可以看作一个新的西非变异分支。

“以前,猴痘病毒主要是通过接触传播,从动物传给人。现在研究表明,已经出现了人际传播,通过近距离呼吸飞沫也能够传播。”施一说。

据介绍,猴痘病毒属于痘病毒科(正痘病毒属),与同为正痘病毒属的天花病毒是“近亲”。不同的是,天花仅能在人群中传播,而猴痘则同时存在于野生动物群体,属于人畜共患病毒性疾病。

这也意味着,通过疫苗接种可以在人群中消灭天花,而人们却无法给野生动物打疫苗,这使猴痘比天花更难灭绝,可能跟人类长期共存。

研究者表示,尽管猴痘病毒在我国并未流行开来,但只要其他国家持续存在,就有外来输入和流行的风险。

据介绍,接种过天花疫苗的人群对猴痘病毒感染具有一定的免疫防护能力。但1980年全球消灭天花后,天花疫苗接种随之停止,这使得我国“80后”之后的群体大部分并未接种天花疫苗,对猴痘病毒缺乏免疫防护能力。若其持续变异,可能对社会发展和人类健康造成广泛的潜在影响。

揭秘“复制机器”

科学家已经发现,与人和其他动物一样,痘病毒也是以DNA作为遗传物质。不同之处在于,猴痘病毒会在宿主细胞的细胞质中形成“复制工厂”进行基因组复制,产生首尾相连的DNA串联体。然后,在解离酶的作用下分解成单个病毒基因组,再进一步组装,形成新生病毒粒子。

据介绍,猴痘病毒复制机器的“帮手”有很多,至少需要8种病毒蛋白相互合作才能完成整个过程。不过,其核心则主要由“三位一体”组成:聚合酶F8、可持续因子E4和A22异二聚体。

这三者组成聚合酶全酶复合物,直接负责合成子代DNA,是理想的抗病毒药物开发靶点。但目前缺乏这个复制机器核心的高分辨率三维结构,以及基因组可持续合成的分子机制的认知仍不充分。

利用冷冻电镜技术,研究人员首次让猴痘病毒DNA聚合酶全酶的结构“无所遁形”。

他们揭示了猴痘病毒基因组复制的分子机制。F8亚基和E4亚基的结构与痘苗病毒中相对应的蛋白结构非常相似,具有典型的DNA聚合酶和尿嘧啶糖苷水解酶特征。而A22亚基属于痘病毒特有的蛋白,可以分为N端、中间和C端结构域。其中N端和C端分别与E4和F8结合,在病毒聚合酶全酶复合物组装中起到“中间桥梁”的作用。

“了解聚合酶的工作机制,可以有的放矢地开发药物阻断其与DNA结合或复制活性。比如现在有一种靶向痘病毒聚合酶的核苷类药物西多福韦,就能掺入到DNA合成链中,抑制聚合酶的功能。”施一解释。

值得注意的是,研究者还解析了猴痘病毒如何保持其高效的基因组复制能力。

此前研究提示,在进行DNA合成时,猴痘病毒聚合酶与B家族其他DNA聚合酶(如人DNA聚合酶和酵母DNA聚合酶)合成不同,不会通过增殖细胞核抗原(PCNA)或PCNA类似蛋白,与产物dsDNA相互作用提升聚合酶的可持续合成能力,而是通过A22-E4形成的异二聚体来保证可持续合成能力。

在该研究中,研究人员更正了此前针对猴痘病毒另一个近亲——痘苗病毒聚合酶可持续合成机制研究所推测的聚合酶全酶模型,此前的研究认为聚合酶和尿嘧啶糖苷水解酶之间没有相互作用。研究人员发现,聚合酶全酶复合物结构中,E4尿嘧啶糖苷水解酶与F8聚合酶直接相互作用,并与聚合酶的N端结构域和外切酶结构域组成一个闭合的模板进入通道,形成“前置滑动夹”。

“DNA聚合酶如果没有滑动夹,容易从DNA上掉下来,所以一般都需要有一个夹子套在DNA上,让它保持稳定。”施一解释,而前置滑动夹是猴痘病毒为代表的痘病毒所特有的,之前研究的其他病毒DNA聚合酶(比如疱疹病毒和非洲猪瘟病毒)的可持续合成能力,与人和酵母等真核生物的DNA聚合酶一样,都是通过“后置滑动夹”的机制来实现的。

“如果把滑动夹的模板进入通道堵上,病毒就不能通过这个通道进行基因组的复制了。”施一说,这一发现可以用于抗痘病毒药物的设计。

病毒防控需要持续的基础研究

从今年5月国际猴痘疫情暴发后开始,研究团队仅用了3个月时间就把论文投给了《科学》,并被快速接收。这与合作团队长期致力于病毒研究积累的底蕴分不开。

施一是2005年加入导师高福院士团队进入病毒领域的。近二十年来,高福团队先后研究了禽流感病毒、非洲猪瘟病毒、埃博拉病毒、新冠病毒、寨卡病毒、沙粒病毒等十余种病毒。相关研究范畴涵盖从病毒入侵机制、病毒复制机理到产业应用转化的全链条。

施一

按高福的话说,“科学问题一定要和社会问题有效对接,研究成果或是走上书架,进入教科书;或是走上货架,变成产品,解决实际需求。”

目前,该团队的多个成果已经转化为服务大众的产品,应用于实践中。如新冠蛋白亚单位疫苗、单抗和检测试剂等。

经常与各类病毒打交道,如何规避风险呢?

据介绍,我国相关病毒的研究对实验室有着严格的安全资质要求。以猴痘病毒为例,目前只有个别P3实验室有活病毒操作资质。

高福院士表示,尽管微生物所也有P3实验室,但由于其处于奥运村人口密集居住地带,被认为无法开展相关研究。他呼吁,用纳税人的钱建设的实验室,有关机构要尽快批准使用,使其发挥应该发挥的作用。

彭齐、施一、高福、齐建勋、蒯璐、王寒(从左到右)

在这种情况下,他们如何窥探病毒的核心基因组呢?施一介绍,实验室会利用猴痘疫苗的另一个“近亲”——正痘病毒属痘苗病毒在P2实验室进行研究。这两种病毒的基因组序列相似性较高,在一定程度上能够代表猴痘病毒的特征。

另外,他表示,尽管实验室无法在活病毒上进行研究,但可以在实验室合成相关基因表达病毒蛋白,在普通实验室进行操作,进行生物化学与分子生物学研究,这也大幅降低了相关研究的安全资质要求。

“对于一些具有潜在大流行能力的病毒,需要做全面的基础研究布局。如提前了解病毒感染和传播特性、有针对性地开发疫苗和药物,通过持续的基础研究总结不同病毒的共性,寻找潜在的广谱预防和治疗手段。”施一表示,下一步研究团队将根据现有基础研究发现,探寻治疗猴痘病毒的药物。

中国科学院微生物研究所研究人员彭齐、清华大学医学院基础医学系博士生谢宇锋和中国科学院微生物研究所工作人员蒯璐为本文共同第一作者,研究人员齐建勋、王寒也参与了该研究课题。中国科学院微生物研究所研究人员施一和高福院士为本文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略重点研究计划、国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会等项目的经费支持。

相关论文信息:

10.1126/science.ade6360

 
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