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武漢病毒所在病毒拓撲異構酶結構特征與酶活性調控機制研究方面取得新進(jìn)展

發(fā)表日期:2024-02-29來(lái)源:武漢病毒研究所放大 縮小

近日,國際學(xué)術(shù)期刊mBio在線(xiàn)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隊的最新研究成果,論文題目為“Structure-function analysis of the ATPase domain of African swine fever virus topoisomerase”。

DNA拓撲異構酶廣泛存在于古菌、原核生物、真核生物和一些核質(zhì)大DNA病毒中,在基因復制、轉錄、重組和染色體分離過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要作用,是多種抗腫瘤藥物和抗菌藥物的靶標。II型拓撲異構酶利用水解ATP產(chǎn)生的能量催化DNA雙鏈的斷裂和結合,從而調控DNA的拓撲狀態(tài)。盡管氨基酸序列同源性較低,幾乎所有的II型拓撲異構酶都具有兩個(gè)保守的功能域:位于蛋白N端的ATPase結構域和緊隨其后的DNA結合與切割結構域。研究表明,II型拓撲異構酶可以通過(guò)結構域間的變構調節控制多個(gè)催化步驟,包括DNA結合、ATP水解和DNA鏈傳遞過(guò)程。然而,結構域之間的分子偶聯(lián)機制尚不清楚。

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100%,目前尚無(wú)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型拓撲異構酶,其在病毒基因組復制和轉錄過(guò)程中起著(zhù)關(guān)鍵作用,是抗ASF的良好藥物靶標。前期,鄧增欽研究團隊首次解析了兩種不同功能狀態(tài)下的ASFV拓撲異構酶冷凍電鏡結構,揭示了其獨特的結構特征(Zhao et al.mBio, 2023),促進(jìn)了人們對于病毒拓撲異構酶結構和功能的理解。然而,可能因為ASFV拓撲異構酶結構域之間的連接區域柔性較大,其ATPase結構域在冷凍電鏡結構中未得到解析。

近期,研究團隊利用X-ray晶體學(xué)技術(shù)解析了ASFV拓撲異構酶 ATPase結構域與AMPPNP復合物的高分辨率晶體結構(圖1),揭示了其三個(gè)特征性結構區域:由ATP-lid、QTK-loop和a9螺旋組成的分子內界面,可能參與DNA結合的K-loop環(huán)和位于A(yíng)TPase結構域頂端的觸角樣a螺旋對。以上三個(gè)區域內關(guān)鍵氨基酸的突變降低了基礎和DNA刺激的ATPase活性,同時(shí)顯著(zhù)抑制了拓撲異構酶全酶的松弛負超螺旋DNA的活性,表明這些特征性結構對拓撲異構酶活性的維持非常重要。此外,研究結果顯示三個(gè)區域的突變對ATPase活性和全酶的松弛活性產(chǎn)生了平行的影響,表明II型拓撲異構酶的ATP水解、DNA結合和鏈傳遞過(guò)程是高度偶聯(lián)的,并由結構域之間的協(xié)同互作共同完成(圖2)。該研究加深了對II型拓撲異構酶酶活性調控機制的理解,為靶向ATPase結構域的ASFV抗病毒藥物研究提供了重要的結構基礎。

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)基金項目、武漢市知識創(chuàng )新計劃基礎研究項目、中國科學(xué)院率先行動(dòng)引才計劃和湖北省自然科學(xué)基金青年項目的經(jīng)費支持。

論文及前續論文鏈接:
https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.03086-23
https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.01228-23


圖1: ASFV拓撲異構酶ATPase結構域的晶體結構(左圖)與全長(cháng)蛋白的冷凍電鏡結構(右圖)


圖2:ATPase結構域的特征性結構及其對拓撲異構酶活性的重要性
附件: