近日，國際學(xué)術(shù)期刊mBio在線發(fā)表了中國科學(xué)院武漢病毒研究所/抗病毒研究中心鄧增欽團(tuán)隊(duì)的最新研究成果，論文題目為“Structure-function analysis of the ATPase domain of African swine fever virus topoisomerase”。

DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶廣泛存在于古菌、原核生物、真核生物和一些核質(zhì)大DNA病毒中，在基因復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組和染色體分離過程中發(fā)揮著重要作用，是多種抗腫瘤藥物和抗菌藥物的靶標(biāo)。II型拓?fù)洚悩?gòu)酶利用水解ATP產(chǎn)生的能量催化DNA雙鏈的斷裂和結(jié)合，從而調(diào)控DNA的拓?fù)錉顟B(tài)。盡管氨基酸序列同源性較低，幾乎所有的II型拓?fù)洚悩?gòu)酶都具有兩個(gè)保守的功能域：位于蛋白N端的ATPase結(jié)構(gòu)域和緊隨其后的DNA結(jié)合與切割結(jié)構(gòu)域。研究表明，II型拓?fù)洚悩?gòu)酶可以通過結(jié)構(gòu)域間的變構(gòu)調(diào)節(jié)控制多個(gè)催化步驟，包括DNA結(jié)合、ATP水解和DNA鏈傳遞過程。然而，結(jié)構(gòu)域之間的分子偶聯(lián)機(jī)制尚不清楚。

非洲豬瘟病毒（ASFV）是一種高致病性病原體，可引起非洲豬瘟（ASF），病死率可高達(dá)100%，目前尚無針對非洲豬瘟的有效疫苗或特異性治療藥物。ASFV特異性編碼II型拓?fù)洚悩?gòu)酶，其在病毒基因組復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程中起著關(guān)鍵作用，是抗ASF的良好藥物靶標(biāo)。前期，鄧增欽研究團(tuán)隊(duì)首次解析了兩種不同功能狀態(tài)下的ASFV拓?fù)洚悩?gòu)酶冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征（Zhao et al., mBio, 2023），促進(jìn)了人們對于病毒拓?fù)洚悩?gòu)酶結(jié)構(gòu)和功能的理解。然而，可能因?yàn)锳SFV拓?fù)洚悩?gòu)酶結(jié)構(gòu)域之間的連接區(qū)域柔性較大，其ATPase結(jié)構(gòu)域在冷凍電鏡結(jié)構(gòu)中未得到解析。

近期，研究團(tuán)隊(duì)利用X-ray晶體學(xué)技術(shù)解析了ASFV拓?fù)洚悩?gòu)酶 ATPase結(jié)構(gòu)域與AMPPNP復(fù)合物的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)（圖1），揭示了其三個(gè)特征性結(jié)構(gòu)區(qū)域：由ATP-lid、QTK-loop和a9螺旋組成的分子內(nèi)界面，可能參與DNA結(jié)合的K-loop環(huán)和位于ATPase結(jié)構(gòu)域頂端的觸角樣a螺旋對。以上三個(gè)區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵氨基酸的突變降低了基礎(chǔ)和DNA刺激的ATPase活性，同時(shí)顯著抑制了拓?fù)洚悩?gòu)酶全酶的松弛負(fù)超螺旋DNA的活性，表明這些特征性結(jié)構(gòu)對拓?fù)洚悩?gòu)酶活性的維持非常重要。此外，研究結(jié)果顯示三個(gè)區(qū)域的突變對ATPase活性和全酶的松弛活性產(chǎn)生了平行的影響，表明II型拓?fù)洚悩?gòu)酶的ATP水解、DNA結(jié)合和鏈傳遞過程是高度偶聯(lián)的，并由結(jié)構(gòu)域之間的協(xié)同互作共同完成（圖2）。該研究加深了對II型拓?fù)洚悩?gòu)酶酶活性調(diào)控機(jī)制的理解，為靶向ATPase結(jié)構(gòu)域的ASFV抗病毒藥物研究提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

武漢病毒所助理研究員匡文華和博士研究生趙艷為該論文的共同第一作者，鄧增欽研究員和匡文華助理研究員為共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、武漢市知識創(chuàng)新計(jì)劃基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、中國科學(xué)院率先行動引才計(jì)劃和湖北省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。