近日，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在非洲豬瘟病毒拓撲異構酶的結構解析和催化機制研究中取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Cryo-EM structures of African swine fever virus topoisomerase”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊mBio上。 

   DNA復制、重組和染色體分離等重要生物過(guò)程中都會(huì )導致DNA纏繞，即DNA拓撲結構問(wèn)題，如果該問(wèn)題得不到解決，將會(huì )造成基因組的不穩定，從而降低細胞的生存能力。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，其中Ⅱ型拓撲異構酶可在DNA上產(chǎn)生雙鏈切口，松弛DNA超螺旋，進(jìn)而解決DNA的拓撲結構問(wèn)題。拓撲異構酶功能的重要性，使其成為多種抗腫瘤化療藥物和抗菌藥物的有效靶標。目前，人們對拓撲異構酶的認識和理解主要來(lái)自于對真核生物以及細菌來(lái)源的拓撲異構酶的研究，而對于病毒編碼的拓撲異構酶的結構和作用機制知之甚少。 

    非洲豬瘟病毒 (ASFV) 是一種高傳染性的雙鏈DNA病毒，可導致非洲豬瘟，感染后發(fā)病率和病死率可高達100%，目前尚無(wú)針對該病毒感染安全有效的商用疫苗和治療藥物。非洲豬瘟病毒編碼的Ⅱ型拓撲異構酶P1192R在不同ASFV毒株中高度保守，且在病毒基因組復制過(guò)程中起著(zhù)關(guān)鍵作用，是一個(gè)潛在的抗非洲豬瘟病毒藥物靶標。 

    研究團隊解析了兩種不同功能狀態(tài)下的P1192R冷凍電鏡結構（圖1）。盡管P1192R和已報道的其他真核和原核生物II型拓撲異構酶的氨基酸序列同源性較低，但是其整體的三維結構具有較高的相似性，即都形成同源二聚體，且每個(gè)單體主要由三個(gè)功能區域組成，分別是位于N末端的ATPase結構域、中間區的DNA切割核心區以及C末端的Coiled-coil結構域。值得注意的是解析的兩種不同狀態(tài)下的P1192R結構的主要差異來(lái)源于C末端的Coiled-coil結構域，其分別處于關(guān)閉和打開(kāi)兩種構象。這是首次在無(wú)DNA底物的情況下發(fā)現該區域呈現兩種不同的狀態(tài)，暗示Ⅱ型拓撲異構酶的Coiled-coil結構域可自發(fā)地打開(kāi)或關(guān)閉。 

     雖然ASFV P1192R相對于其他II型拓撲異構酶整體結構相似，但P1192R具有一些獨特的結構特征（圖2），包括：活性位點(diǎn)兩對保守的離子鍵和一對疏水相互作用、TOPRIM結構域中一段柔性的loop（Region 1）、Tower結構域中一段額外插入的α-螺旋（Region 2）以及Coiled-coli結構域中的“別針樣”結構（Region 3）。體外生化實(shí)驗表明P1192R中參與活性位點(diǎn)相互作用的氨基酸突變和Region 1的缺失，均會(huì )顯著(zhù)降低P1192R的拓撲異構酶活性；Region 2的缺失很可能影響P1192R的結構完整性，進(jìn)而導致蛋白折疊異常；而Region 3關(guān)鍵疏水氨基酸的突變則會(huì )降低P1192R在反應初始階段的效率。以上結果表明P1192R的特異性結構對于其拓撲異構酶活性的維持或結構完整性非常重要。綜上，該項研究促進(jìn)了人們對于病毒拓撲異構酶的結構和功能的理解，為靶向病毒拓撲異構酶的抗非洲豬瘟藥物的研發(fā)提供了重要依據。 

     武漢病毒所博士研究生趙艷與助理研究員匡文華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。該研究獲得了武漢市知識創(chuàng )新計劃基礎研究項目和中國科學(xué)院率先行動(dòng)引才計劃的經(jīng)費支持。