STTT：四川大学苏昭铭团队揭示呼吸道合胞病毒核衣壳样组装体的冷冻电镜结构
2023-08-24 iNature iNature 发表于上海
该研究解析了RSV N-RNA的近原子冷冻电镜结构，揭示了RSV核衣壳的关键相互作用界面，并可能促进RSV抗病毒治疗的发展。
呼吸道合胞病毒（RSV）是一种非分段的负链RNA病毒，已导致婴儿和老年人严重的下呼吸道感染，死亡率很高，但目前还没有有效的疫苗或抗病毒治疗方法。RSV基因组编码形成螺旋组装的核蛋白（N），以包裹和保护RNA基因组免受降解，并作为转录和复制的模板。先前的晶体结构揭示了N与70个核苷酸（70nt）的细胞RNA（N-RNA）复合的十聚环结构，而冷冻电子断层扫描（cryo-ET）重建揭示了低分辨率左旋丝，其中晶体单体结构与螺旋对称性对接，以模拟RSV的核衣壳样组装。然而，呼吸道合胞病毒核衣壳组装的分子细节仍然未知，这继续限制了对核衣壳和抗病毒药物开发中涉及的关键相互作用的完整理解，这些相互作用可能针对病毒生命周期中的这一重要过程。
2023年8月22日，四川大学苏昭铭团队在Signal Transduction and Targeted Therapy在线发表了题为“Cryo-EM structure of the nucleocapsid-like assembly of respiratory syncytial virus”的研究论文，该研究解析了RSV N-RNA的近原子冷冻电镜结构，揭示了RSV核衣壳的关键相互作用界面，并可能促进RSV抗病毒治疗的发展。
人类RSV是一种非分段负链RNA病毒（NSV），可导致致命的下呼吸道感染，并继续对全球婴儿、老年人和免疫系统受损的人的健康构成威胁。据估计，几乎所有儿童在两岁时都感染了呼吸道合胞病毒，导致全球5岁以下儿童每年估计有360万人住院，超过10万人死亡。除了新生儿的高死亡率外，呼吸道合胞病毒引起的严重呼吸道疾病还与记忆相关脑网络的发展有关，这可能会损害婴幼儿的早期语言学习能力，导致长期的语言学习困难。目前尚无疫苗或抗病毒疗法可用于对抗呼吸道合胞病毒感染。
RSV属于单核病毒目肺炎病毒科，基因组约15.2 千碱基，包含编码11种蛋白质的10个基因：共同调节宿主免疫系统逃避的非结构蛋白质1和2（NS1和NS2）；组装成包裹并保护病毒基因组的核衣壳的核蛋白（N）；磷蛋白（P），其通常作为同源四聚体存在，可作为N的伴侣调节N-RNA结合并将N和RNA聚合酶递送至RNA基因组；大RNA聚合酶（L），其与N和P一起形成RNA依赖性RNA聚合酶（RdRp）复合物以进行转录和复制；外部跨膜附着糖蛋白（G）和融合蛋白（F），它们通过识别细胞表面受体和促进膜融合来负责病毒进入；小疏水蛋白（SH）是一种离子通道，被认为参与调节宿主细胞凋亡；以及形成支持病毒包膜的基质层的基质蛋白M，将M与核衣壳结合的M2-1，以及参与转录/复制调节的M2-2。N蛋白高度保守，在不同菌株的氨基酸水平上具有高达96%的同源性。
N蛋白由391个氨基酸组成，具有N末端结构域（NTD）（残基36-253）和C末端结构域，其是与病毒RNA形成螺旋组装以提供免于降解的保护并作为模板参与转录和复制的最丰富的蛋白质之一。N与病毒RNA的选择性结合是由P促进的，P与非病毒基因组RNA结合并阻止N与非病毒基因RNA结合或自聚集，这对病毒颗粒的包装尤其重要。在RSV感染的晚期，M蛋白的N末端110个氨基酸可以在M2-1存在的情况下与N相互作用，抑制病毒转录，从而启动组装和出芽过程。
考虑到不太紧凑的组装形式，研究者重新检查了蛋白质-蛋白质和蛋白质-RNA相互作用的界面。先前的研究表明R234是核衣壳组装和病毒复制的关键残基，而R234A点突变的引入阻碍了这一点。研究者观察到N的β3中的Y88和α7中的D221与N+ 1的L13中的R234相互作用 ，证实了R234在相互作用界面中的关键作用。此外，研究者还确定了N的L2中的Q26和N + 1的α2中的Y38之间的相互作用通过氢键，如先前研究所预测的。Y38磷酸化先前已被证明通过降低核衣壳模板活性来调节RSV转录和复制，同时使核衣壳更紧密以潜在地促进包装，因为在RSV病毒粒子中也检测到Y38磷酸。Y38磷酸化在研究者的结构中的缺失表明，病毒的转录和复制可能利用了不太紧凑的核衣壳模板。最后，研究者观察到N的α1和L1以及N + 1的多个疏水区之间的疏水相互作用，进一步增强蛋白质-蛋白质界面。
RSV核衣壳样组装体的冷冻电镜结构和模型（图源自Signal Transduction and Targeted Therapy ）
该研究通过单粒子cryo-EM在3.96 Å分辨率下确定了大约一圈RSV核衣壳组装的结构 。N的残基Y88和D221与相邻N+ 1的R234形成氢键和盐桥 ，而N的Q26也与N+ 1的Y38形成氢键。N的α-螺旋1（α1）和环1（L1）与N+ 1的多个α-螺旋的疏水相互作用 一起构成蛋白质相互作用界面。每个N与带正电荷凹槽中的7-nt RNA结合，残基K170、R184、R185、S313、T315、Y337与磷酸根骨架之间相互作用。此外，研究者与先前报道的相互作用界面进行了比较，并确定了新的蛋白质-蛋白质和蛋白质-RNA相互作用。该研究的结果共同阐明了对RSV核衣壳组装至关重要的相互作用界面，这可能有助于开发潜在的RSV抗病毒疗法。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41392-023-01602-5
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