饒子和院士:病毒與新藥
2019年03月15日10:05

  來源:墨子沙龍微信公眾號

  饒子和:中國科學院院士,清華大學教授,結構生物學家

今天報告的主題是病毒與新藥。
今天報告的主題是病毒與新藥。

  生命具有廣闊的時間和空間的尺度,從時間維度上,須臾一瞬,曆經飛秒(fs)尺度的原子反應(1fs=10-15s),到人壽百年,橫跨數十個數量級。從空間維度上,從原子尺寸Å(1Å=10-10m)到人體平均一米七,我們正走在逼近認知尺度極限的探索道路上。作為結構生物學研究者,我們希望從微觀的原子水平到宏觀的個體尺度上,去窺探生命的奧秘,也必將伴隨著無數荊棘和挑戰。

  無論探測分子,細胞和個體結構,都需要很先進的手段和技術。生物學跟物理學、化學、計算機、工程技術等交叉學科的緊密配合突破了現有的瓶頸,迎來了結構生物學長足的發展,回答了許多困擾已久的科學問題。

  實驗的數據,過去對它進行計算機模擬,現在又有人工智能或者叫大數據系統,希望有一天能做到用於電子虛擬人體,這是整個結構生物學的大方向。

結構生物學的大方向:實現電子虛擬人體
結構生物學的大方向:實現電子虛擬人體

  我帶領的課題組做尺度比較小的東西,包括病毒病原體、新發再發傳染病病原體的研究。我們研究組主要在這個領域裡面進行研究,我們團隊很年輕,2018年研究組成果出現井噴,包括 2篇Science,和許文清教授合作1篇Nature,以及19年剛剛在線發表的Cell文章。這些工作積累了很長時間,湊巧到去年發表了,這些成果都是屬於這批年輕人的。

  病毒有三個科學問題。

  第一個科學問題是病毒為代表的病原體,如何能夠跟宿主細胞的受體識別並相互作用,然後入侵宿主細胞。

  第二個科學問題是轉錄與複製。病毒進入宿主細胞,將其基因組釋放到宿主細胞裡面,病毒基因組如何跟宿主基因組整合,然後進行轉錄複製。這個工作我們是從非典事件開始,以冠狀病毒為研究體系,做了深入的研究。

  第三個問題是病毒在宿主細胞裡面進行轉錄複製之後,如何裝配起來形成一個病毒顆粒,然後怎麼釋放出去的?

有關病毒的三個科學問題
有關病毒的三個科學問題

  我今天給大家講第三個問題,病毒轉錄複製以後如何裝配的?

  以皰疹病毒為例,過去十幾年我們實驗室解析了二三十個完整病毒的原子水平結構,不光有病毒的結構,還有病毒和受體復合物的結構,病毒和抗體的復合物的結構。這些結構讓我們從原子水平上對病毒的作用機製有一定的瞭解,為進一步研究它的作用機製和藥物的開發提供了堅實的結構基礎。

  那麼,皰疹病毒的衣殼是什麼樣的結構?它的Architecture(構造)是什麼樣的?

  大家知道皰疹病毒、水痘、口腔皰疹、帶狀皰疹,這些都是跟人們生活密切相關的、令人煩惱的病毒。病毒有兩種狀態,一種叫裂解期,還有一種叫潛伏期。病毒侵入人體以後,這兩種狀態都有,免疫系統調節出問題的時候,嘴上或者身體其他部位長出皰疹,這個時候就是活躍期。狀態好它就消下去了,這就是潛伏期。正因為它會潛伏,所以很難根治,往往人們得了一次皰疹病毒以後,它就可能跟你一輩子。在國際上很多很多研究組,都在研究各式各樣的皰疹病毒,皰疹病毒研究隊伍非常之大,但是到現在還沒有根治皰疹的藥。

  皰疹病毒從結構水平上來講比較特殊,它特別大,直徑超過200納米。結構有四層。如下圖。

皰疹病毒結構
皰疹病毒結構

  外面一層是帶有糖蛋白的囊膜。

  第二層是蛋白層,叫Tegument,它有Outer Tegument(外部的),還有Inner Tegument(內部的),裡面相當複雜。

  第三層,綠顏色是比較均一的正二十面體,有一個通道,這個通道叫Portal,是基因組進出的地方,原則上來講,皰疹病毒不是一個嚴格的正二十面體,而是一個帶有瓶口的正二十面體。

  第四層是雙鏈的DNA基因組。

  過去的6年,由於冷凍電鏡技術的突破,人們能夠從原子水平上解析很多以前無法解決的複雜結構,大家看到這一系列的結構,一直到Dengue Virus(登革熱病毒)這麼大的結構都在原子水平上得到解析。但像皰疹病毒這麼大的病毒,由於電鏡技術的局限,還沒有辦法做到,我們研究組在計算方法的改進,總算解析了第一個這麼大尺寸的皰疹病毒原子解像度結構,這個工作去年4月份發表在Science上。

  培養皰疹病毒,分離純化出來後發現有三種形狀的顆粒,一種顆粒叫A顆粒,是空的,裡面沒有基因組,B顆粒也是空的,也沒有基因組,但是有一點支架蛋白在裡面。C顆粒是真正具有感染能力的,帶有完整基因組的顆粒。從尺寸上看,A、B、C三種顆粒幾乎一樣,差別就在於裡面有沒有基因組,C顆粒在表面上還多了一種重要的復合物。

  我們通過冷凍電鏡解析了A,B,C三種顆粒的結構,通過結構的比對和分析,A和B顆粒衣殼層結構相似,C顆粒包含有序排列的基因組,除此以外C顆粒的五次軸附近結合了CVSC復合物。B顆粒,有一個特殊的通道叫Portal,裡面沒有基因組,通道像瓶子一樣,裡面是空的,沒有被封閉上;C顆粒充滿基因組,portal被UL25封閉。我們解析了B型顆粒結構,是正二十面體的結構,由4000多個蛋白質亞基組成的大球,C顆粒多一個60個Copy的CVSC復合物。如下圖。

C顆粒結構
C顆粒結構

  這個4000多個蛋白質亞基組成的球,它們是如何高效有序地裝配的?

  主要靠VP5蛋白。VP5蛋白有1000多個氨基酸殘基,主要通過下部的結構構象的變化相互作用組裝成穩定的核衣殼結構,其組成核衣殼結構主要靠兩個手(結構域),這個紅色標記的結構域叫N-lasso,綠色標記的結構域叫dimerization domain(二聚體化功能域)。這兩隻手為了把蛋白裝成核衣殼,底部結構域發生了顯著的變化以適應局部的組裝微環境的差異,進而組裝成一個近似二十面體結構,而上部的結構域幾乎沒有變化。

  VP5蛋白

  下面這個結構有點像故宮角樓的建築,叫大木構架斗栱結構。

  實際上是球的底部,它是由這些結構組成的。這是一個五聚體,六聚體,這是一個C型的六聚體,它們之間是怎樣構造的?首先看一下五聚體之間怎麼構造的,再看六聚體怎麼構造的,再看五聚體和六聚體之間怎麼構造的,再看六聚體和六聚體之間的結構是怎麼樣的。然後再分析一下三個六聚體之間是怎麼構建的。

大木構架斗栱結構
大木構架斗栱結構

  看VP5底部兩個手怎麼抓的,再看看其它的細部,這個是五聚體之間的構造,側過來看β摺疊像船子一樣都排起來,然後是六聚體之間的構造,這就是為什麼說它是architecture(建築),它確確實實像4000個單元的房子一樣。

  五聚體和六聚體之間的兩個平行的α螺旋,整個排下來,再側過來看,這種構造是非常精細的,六聚體和六聚體之間的構造,除了這個還有一堆α——helix cluster (α螺旋簇),還有對稱的β摺疊,再看三個六聚體之間是怎麼結合的,實際上中間的洞裡面還可以放一個三聚體在裡面。

球底部蛋白亞基組裝
球底部蛋白亞基組裝

  再回到瓶口,要看病毒口的結構很難,它只占整個病毒球小於1%的面積,要解出它的原子水平的結構非常有挑戰性。因為它沒有對稱性,挑戰性就非常大。不管怎麼樣,我們用了Asymmetric Reconstructions的方法解析了這個結構。這個方法是怎麼做的?這屬於很細節的事情了,這裏就不展開講解了。根據解析出來的結構作為藥物靶點,可以來設計抗病毒的藥物,由於數據還未發表,就先不說解析過程了。

  這項工作是我們一批年輕的學生做出的,王祥喜博士是領頭的,袁帥解析了B顆粒,王佳靈解析C顆粒。楊雲翔和楊盼解析了末端酶,王男解析了Portal,這些都是博士學生。謝謝!

饒子和院士的博士生們
饒子和院士的博士生們

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