《自然》雜志5月30日在其網站發表了中科大合肥微尺度物質科學國家研究中心、生命科學學院博士劉云濤、教授畢國強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鍵機制以及病毒的DNA基因組結構，有助于預防和控制皰疹病毒引發的多種疾病，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多種疾病，包括帶狀皰疹、出生缺陷、多種免疫系統疾病以及癌癥。皰疹病毒包括囊膜、中間體蛋白層、衣殼和基因組四層結構，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，是病毒基因組進出的地方。在皰疹病毒生命周期中，最關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，最終產生含有基因組的病毒粒子。當病毒基因組在病毒衣殼內裝滿后，會發出某種信號，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通道的高分辨結構，人們對于病毒粒子的基因組包裝過程知之甚少。
圖1 基于連續局部分類和對稱性釋放的高分辨冷凍電鏡三維重構方法
利用冷凍電鏡解析生物大分子的原子分辨率三維結構已成常態，然而對于皰疹病毒基因組結構以及包裝基因組的分子機器（即DNA通道）的結構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，導致對于每個病毒顆粒來說，只有部分區域在冷凍電鏡成像時能夠很好地處于成像焦平面，極大限制了結構解析的分辨率。2、通常對皰疹病毒結構的解析采用正二十面體對稱的重構方式來獲得高分辨衣殼結構，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，這種偶聯的對稱性不匹配極大地增加了結構解析的復雜度。
為了攻克這一難題，研究人員建立了一套基于連續局部分類和對稱性釋放的重構方法，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構和大部分基因組的三維結構，發現病毒基因組具有左手超螺旋的纏繞方式和一個無序核心。進而，提出病毒可以通過序列識別和構象傳遞兩種方式感知和傳遞基因組包裝的信號，并發現病毒使用“剛性框架-靈活連接”策略獲得不匹配的對稱性，這種不對稱性導致的棘輪運動可能是病毒DNA轉運進出衣殼的結構基礎。
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構
理解皰疹病毒DNA轉運和基因組包裝信號獲取和傳遞的基本規則，一方面有望針對性用于皰疹病毒引起的疾病的預防和控制；另一方面，這些發現有助于對皰疹病毒進行改造，使其成為更實用的載體工具，并用于靶向治療或大腦神經環路示蹤等。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，對于揭示細胞的基因組組織結構有借鑒意義。
該研究展示了皰癥病毒完整的非對稱結構，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。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構的完美解析，堪稱高分辨冷凍電鏡三維重建的匠心力作?！?/span>
該研究得到科技部、微尺度物質科學國家研究中心的支持。微尺度集成影像中心、生命學院星云生物信息平臺為此項目提供了計算支持。
