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病毒长相挺完美

(2019-10-21 13:30:56) 下一个

    学过生物学、医学的人都会对教课书中的插图赞叹不已。无论是细胞结构还是人体解剖图,即完美再现了真实的形态,又不像彩色照片会引起不适。这些插图均出自“被学医耽误的画家”之巧手。现今的学术论文也是如此,也要(或借用计算机软件)画出研究成果 - 三维的蛋白结构或病毒结构,以展示论文的完美。

    中国科学院生物物理研究所饶子和院士和王祥喜研究员的团队及中国农业科学院哈尔滨兽医研究所所长步志高研究员的团队联合上海科技大学、清华大学、中科院微生物研究所、中科院武汉病毒研究所、南开大学等单位,于2018年12月开始对非洲猪瘟病毒颗粒和相关抗原分子开展从基础科研到临床检测以及高效疫苗多方面的联合攻关研究,并在2019年10月17日的《科学》上发表了题为《非洲猪瘟病毒结构及装配机制》的学术论文[1]。文中配有许多插图,完美的诠释了该病毒的形态。

    该论文的摘要说:非洲猪瘟病毒(African Swine Fever Virus - ASFV)是一种巨大且复杂的双链DNA病毒(1921年在肯尼亚首次发现),在没有可用疫苗的情况下,会引起高度传染性且通常致命的猪瘟。使用优化的图像重建策略,我们解析了高达4.1埃的该病毒的衣壳结构,该结构由17,280个蛋白质组成,包括一个主要(p72)和四个次要衣壳蛋白质(M1249L,p17,p49和H240R),并组合成由五角星和三角星组成的球面。p72的原子结构告知了假定的构象表位,从而将非洲猪瘟病毒与其他核质大DNA病毒(NucleoCytoplasmic Large Dna Viruses - NCLDV)区别开来。次要衣壳蛋白在衣壳的外部形成一个复杂的网络,通过将相邻的衣壳蛋白保持在一起来稳定衣壳。作为核心组织者,长100 nm的M1249L蛋白沿着三角星的每个边缘延伸,桥接两个相邻的五角星,并与其他衣壳蛋白形成广泛的分子间网络,从而推动了衣壳骨架的形成。这些结构细节揭示了衣壳稳定性和组装的基础,为病毒疫苗开发开辟了新途径。

    非洲猪瘟病毒的平均直径d=260-300nm,要比甲肝病毒(HAV)d=30nm、乙型脑炎病毒(JEV)d=50nm、单纯疱疹病毒(HSV)d=125nm 要大很多。

    上图是科研人员低温电子显微镜(EM)检查纯化的病毒体并重建的病毒示意图,整体分辨率约8.8Å(埃),其中点分辨率为0.1 Å,边分辨率为4.7 Å,面分辨率为4.8 Å。

    这个病毒像不像高尔夫球?其实外形真是相似,都是正20面体。只不过高尔夫球的重量是1.62盎司 (45.93 克),直径1.68 英寸(42.67毫米)是本病毒的17万倍。

    从上图可以看出,非洲猪瘟病毒具有包含基因组的核苷(第一层即最内层),被厚180层纳米直径的蛋白层(称为核壳(第二层))包围,该蛋白层被70层厚的内部脂质双层膜(第三层紫色)和二十面体蛋白衣壳(第四层黄蓝紫色)最大直径为250 nm,包含50多种蛋白质。当细胞外病毒穿过细胞质膜时,它会获得一个外部包膜(第五层橘黄色)。关于感染性病毒体的组成和结构以及负责诱导猪中保护性免疫反应的病毒蛋白的鉴定方面的大量知识盲点阻碍了疫苗的开发。

    通过使用优化的“基于块的”重构方法与梯度散焦校正相结合,衣壳重构的分辨率提高到4.8Å。衣壳由2760个伪六聚体的衣壳和12个五聚体的衣壳构成,排列为T=277的二十面体晶格(h=7,k=12)。在这个晶格中,有12个五角星(包含30个假六聚体和一个五聚体)和20个三角星(包含120个假六聚体和半聚体)。文中给出了衣壳的结构图,让人一目了然。

    衣壳的假六聚体(上图黄色)半胱氨酸的冷冻电镜图谱通过局部平均存在于三象征子中的等效拷贝得到进一步改善,从而获得了 4.1 埃分辨率。多肽的骨架和许多侧链被明确定义,这使我们能够建立该病毒主要衣壳蛋白 p72 的原子模型。每个假六聚体的帽聚体由3个 p72 分子组成,五个五邻体蛋白(不是 p72 的蛋白)构成一个五聚体的壳粒。通过质谱分析了蛋白质组成,并鉴定出63种病毒蛋白和25种宿主细胞蛋白。

    文章说:p72 是关键的保护性抗原之一。同一亚基中来自ER3和ER4的β-折叠构成了一个四折β折叠,形成了p72 壳体蛋白的头部,并可能代表了另一个构象表位。被ER1,ER2和ER4包围的ER3可能连接这两个构象表位。这四个内质网可能定义了中和性表位,可用于指导ASF疫苗设计。文中给出了 p72 蛋白、五邻体蛋白的电镜结构图。

    内膜蛋白p17(D117L)是必需的且高度丰富的蛋白,是组装衣壳和二十面体形态发生所必需的。所有的病毒为了生存和繁殖,都要经过基因的转录翻译,形成蛋白,并装配进入衣壳,形成保护内层核酸物质的屏障,就像病毒在穿衣服。其中p17蛋白在装配中起主要作用,负责最早铆钉在内膜上,并召集p72蛋白,通过配对方式形成拉链结构。

    一位网友提出:“对于疫苗开发来说,主要是证明了之前结构解析[2](即[1]的参考文献[4])(主要是西班牙人的工作)是错误的,二十面体端点表面的核心蛋白不是p49而是p72,以这个之前结构为基础做的重组疫苗没用是很正常的,而以目前的认识重新开发重组疫苗是有前景有可能的。”

    本论文是目前解析近原子分辨率结构的最大病毒颗粒(一个病毒在低温电镜下就会“满视野”),意义重大。这将对疫苗研发起推动的作用。“解析了病毒结构,不是对这个病毒认识的结束,而是有了一个新的开始”。

    人们不禁要问,“上帝为什么创造了如此完美的病毒结构”。

    人类对人体病毒的研究已有百年历史。

研究人体病毒而获得诺贝尔奖的有

1951年 马克斯·泰累尔 “黄热病及其治疗方法上的发现”

1954年 约翰·富兰克林·恩德斯、Frederick C. Robbins和托马斯·哈克尔·韦勒 “发现脊髓灰质炎病毒在各种组织培养基中的生长能力”

1966年 裴顿·劳斯 “发现诱导肿瘤的病毒”

1969年 马克斯·德尔布吕克、阿弗雷德·赫希和萨尔瓦多·卢瑞亚 “发现病毒的复制机理和遗传结构”

1975年 戴维·巴尔的摩、罗纳托·杜尔贝科和霍华德·马丁·特明 “发现肿瘤病毒和细胞的遗传物质之间的相互作用”

1989年 迈克尔·毕晓普和哈罗德·瓦慕斯 “发现逆转录病毒致癌基因的细胞来源”

2008年 哈拉尔德·楚尔·豪森 “发现了导致子宫颈癌的人乳头状瘤病毒(HPV)”以及弗朗索瓦丝·巴尔-西诺西和吕克·蒙塔尼 “发现人类免疫缺陷病毒(即艾滋病病毒-HIV)”

来自非洲的恶性病毒

非洲是人类祖先的诞生地,但近年来恶性病毒却接连不断了传来。除了本文所讲的非洲猪瘟(一种热病)病毒外还有:

黄热病(Yellow Fever)是黄病毒科节肢介体病毒,是人类历史上发现的第一个人类病毒。源自非洲,17世纪时因奴隶贸易传往美洲,并在欧美非三洲都爆发过大流行。

西尼罗河病毒(West Nile Virus)黄病毒科西尼罗河病毒,最早发现于1937年的乌干达,由库蚊传播。1999年在纽约发现首个病例。千万别碰任何死鸟

埃博拉病毒(Ebola Virus)是丝状病毒科病毒,可导致埃博拉出血热,此病毒以非洲刚果民主共和国的埃博拉河命名,此地接近首次于1976年爆发的部落。2014年美国发现输入病例。

寨卡病毒(Zika Virus)黄病毒科病毒,1947年首次在乌干达寨卡森林的猕猴中发现。之后于1952年在乌干达和坦桑尼亚联合共和国的人类中间得到确认。2016年美国发现输入病例。

此外,

丙型肝炎病毒(Hepatitis C)也是黄病毒科病毒,来源不明,感染者集中于非洲、中亚及东亚。丙型肝炎仅感染人类及其“近亲”黑猩猩属。

登革热(Dengue fever)病毒也是黄病毒科,来源不明。

参考文献

[1] Nan Wang, Dongming Zhao, Jialing Wang, Yangling Zhang, Ming Wang, Yan Gao, Fang Li, Jingfei Wang, Zhigao Bu, Zihe Rao, Xiangxi Wang. Architecture of African swine fever virus and implications for viral assembly. Science  17 Oct 2019: DOI: 10.1126/science.aaz1439 

[2] Alí Alejo, Tania Matamoros,Milagros Guerra, and Germán Andrés. A Proteomic Atlas of the African Swine Fever Virus Particle. Jourbal of Virology. 2018 Dec 1; 92(23): e01293-18. doi: 10.1128/JVI.01293-18

注:转载请注明“文学城

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阅读 ()评论 (4)
评论
赌城看客 回复 悄悄话 谢谢“烦人”的留言。我喜欢正二十面体的,不喜欢线状的,看看埃博拉的电镜结构(《自然》v567 p137),像个细长的弹簧。
Fanreninus 回复 悄悄话 不错的科普文,自然界的东西都是很美的,病毒更是如此,是不是越漂亮就越毒?:)
赌城看客 回复 悄悄话 回复 'luck86' 的评论 : 谢谢来访。刚刚去了你的博客,一眼望去多美的树木,让生活在荒漠里的人们“垂涎三尺”。
luck86 回复 悄悄话 受教。
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