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          1. 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
            發布時間:2019/10/7 9:32:10 發布者:傲農集團

              非洲豬瘟病毒結構與組裝機制研究

              非洲豬瘟病毒自去年下半年肆虐中國以來,至今仍未上市相應疫苗產品。近日,中國科學院學部主席團成員、全國政協常委、清華大學教授饒子和院士在華東理工大學第41期通海講堂暨第7期俊棠論壇,帶來了主題報告: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、皰疹病毒結構以及結核分枝桿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),即非洲豬瘟病毒,是非洲豬瘟病的主要病理成因。后者自1921年在肯尼亞被發現后,迄今已成為全球性的豬養殖防治難題,其發病致死率為100%,而至今針對ASFV的結構、抑制基因、逃逸相關蛋白、感染調節因子、天然免疫應答、有效抗體等的研究皆為空白。歷史上,西班牙在沒有有效疫苗的情況下,花了30年才將非洲豬瘟趕盡殺絕。2018年8月,國內沈陽市出現首例非洲豬瘟病例,至今疫情已擴散至33個省份,超過130萬頭家豬被撲殺,全國能繁母豬存欄數量從2018年1月的4000萬頭降至了2019年7月的不足500萬頭,造成巨大經濟損失。

              病毒結構

              ASFV是一種多層包被結構,具雙鏈DNA的大型正二十面體病毒,徑長約250-260 nm,由基因組、核殼、內層衣殼和外層衣殼組成,含有至少160個基因和超過160種蛋白(目前僅鑒定5個,剩余未標注)。我們認為其結構之精巧,正像是一個“俄羅斯套娃”,即像俄羅斯套娃一樣層層嵌套,外層衣殼保護著內層蛋白和核酸結構。

              雖然ASFV在病毒譜系樹種的位置已經找到,但是人們對其的了解十分匱乏,同時因其形態遠大于一般病毒(流感病毒、SARS病毒等僅幾十納米),使得結構觀測具有難度。我們使用連續和非連續梯度離心純化得到ASFV后,首先使用負染色法觀測病毒結構,發現效果不理想后,遂決定使用冷凍電鏡進行觀測。由于ASFV體積過大,每次鏡頭只能容下1到2個完整病毒顆粒,我們需要通過精挑細選才能獲得理想的電鏡圖片。我們首先獲得的是2D圖片,隨后在此基礎上重構了3D結構,達到了8.8 ?(長度單位:埃,1^10-10 m)的整體分辨率,其中點分辨率為0.1 ?,邊分辨率為4.7 ?,面分辨率為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,即可能作為基因的呈遞通道,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,我們認為,這可能作為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,呈現為類似海星的五聚體,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為空洞是由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

              所有的病毒為了生存和繁殖,都要經過基因的轉錄翻譯,形成蛋白,并裝配進入衣殼,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,并招募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,并最終填滿整個平面。我們制作了一個精巧的豬瘟病毒的模型為大家作演示,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病毒直徑約250 nm,共有3000多個蛋白拷貝,其中p72有8280個,p17有8280個,五聚體有60個,p49有60個,M1249L有60個;此外,核殼上尚有約10000個蛋白拷貝待鑒定。

              今年年初,我們花費了大量的時間和精力,對ASFV結構核裝配過程開展研究。從去年年三十開始,我們就“駐扎”在了上??萍即髮W,在生命科學電鏡平臺,投入了5個月多的光陰,分析了愈100 TB的數據,終于得到了理想分辨率的病毒結構,值得欣慰的是,該成果業已被國際頂級學術期刊Science接收。


              饒子和院士,清華大學教授、上??萍即髮W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、第里雅斯特科學獎、陳嘉庚科學獎和談家楨生命科學成就獎等。2003年以來,先后當選為中國科學院院士、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。

              資料來源:上海教育新聞網,作者:金寒草 整理報道。

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