中國科大在揭示人類皰疹病毒的基因組包裝機制方面取得重大突破

5月30日,《自然》雜誌在線發表了中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心、生命科學學院劉雲濤博士、畢國強教授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，有助於預防和控制皰疹病毒引發的多種疾病，並可望改造皰疹病毒用於靶向治療。

皰疹病毒在自然界中廣泛存在，在感染人體後能夠引發多種疾病，包括帶狀皰疹、出生缺陷、多種免疫系統疾病以及癌症。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後，會發出某種信號，從而切除冗餘的DNA以完成組裝。由於缺乏病毒基因組和衣殼DNA通道的高分辨結構，人們對於病毒粒子的基因組包裝過程知之甚少。

利用冷凍電鏡解析生物大分子的原子解析度三維結構已成常態，然而對於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，導致對於每個病毒顆粒來說，只有部分區域在冷凍電鏡成像時能夠很好地處於成像焦平面，極大限制了結構解析的解析度。2、通常對皰疹病毒結構的解析採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複雜度。

圖1.人類I型單純皰疹病毒（HSV-1）DNA通道蛋白的原子解析度三維結構（作者：王國燕、馬燕兵）

為了攻克這一難題，研究人員建立了一套基於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通道的原子解析度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，並發現病毒使用「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。

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於皰疹病毒引起的疾病的預防和控制；另一方面，這些發現有助於對皰疹病毒進行改造，使其成為更實用的載體工具，並用於靶向治療或大腦神經環路示蹤等。此外，病毒這種通過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，對於揭示細胞的基因組組織結構有借鑒意義。

該研究展示了皰症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，「作者採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。」

圖2.基於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（上圖）；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（下圖）

這是中國科大合肥微尺度國家研究中心集成影像中心的又一里程碑式研究成果。集成影像中心是合肥微尺度物質科學國家研究中心與生命科學學院為推進交叉學科發展而建設的創新研究與公共技術平台，由畢國強教授與中國科大81級校友周正洪博士共同負責籌建與運行管理，初期由兩位教授聯合培養的博士生張小康（現為浙江大學冷凍電鏡中心副教授）具體負責規劃和建設，中心於2009年開始建設，2010年底正式投入運行。

經過近十年的發展，集成影像中心率先在國內建立了完善的多尺度、多模態顯微成像的技術方法與平台，並培養了多位掌握前沿交叉學科技術的青年科學家。近年來，特別是近兩年來已發表十餘篇高水平研究論文，在高分辨冷凍電鏡、冷凍電鏡斷層重構原位成像、光電關聯顯微成像、光學超分辨活細胞成像、跨尺度熒光顯微三維重構成像等前沿技術的發展達到了國際領先或一流水平，並在應用前沿顯微成像技術解析生物大分子高分辨結構、神經突觸超微結構與全腦功能圖譜等方面取得了一系列重要突破。集成影像中心經過多年的發展與探索，成為集前沿顯微成像技術發展與應用、人才培養和公共技術支撐為一體的創新研究與前沿技術平台。

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、生命學院星雲生物信息平台為此項目提供來計算支持。

Abstract

Herpesviruses are enveloped viruses that are prevalent in the human population and are responsible for diverse pathologies, including cold sores, birth defects and cancers. They are characterized by a highly pressurized pseudo-icosahedral capsid—with triangulation number (T) equal to 16—encapsidating a tightly packed double-stranded DNA (dsDNA) genome1,2,3. A key process in the herpesvirus life cycle involves the recruitment of an ATP-driven terminase to a unique portal vertex to recognize, package and cleave concatemeric dsDNA, ultimately giving rise to a pressurized, genome-containing virion4,5. Although this process has been studied in dsDNA phages6,7,8,9—with which herpesviruses bear some similarities—a lack of high-resolution in situ structures of genome-packaging machinery has prevented the elucidation of how these multi-step reactions, which require close coordination among multiple actors, occur in an integrated environment. To better define the structural basis of genome packaging and organization in herpes simplex virus type 1 (HSV-1), we developed sequential localized classification and symmetry relaxation methods to process cryo-electron microscopy (cryo-EM) images of HSV-1 virions, which enabled us to decouple and reconstruct hetero-symmetric and asymmetric elements within the pseudo-icosahedral capsid. Here we present in situ structures of the unique portal vertex, genomic termini and ordered dsDNA coils in the capsid spooled around a disordered dsDNA core. We identify tentacle-like helices and a globular complex capping the portal vertex that is not observed in phages, indicative of herpesvirus-specific adaptations in the DNA-packaging process. Finally, our atomic models of portal vertex elements reveal how the fivefold-related capsid accommodates symmetry mismatch imparted by the dodecameric portal—a longstanding mystery in icosahedral viruses—and inform possible DNA-sequence recognition and headful-sensing pathways involved in genome packaging. This work showcases how to resolve symmetry-mismatched elements in a large eukaryotic virus and provides insights into the mechanisms of herpesvirus genome packaging.

本期編輯：Tony

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