科學(xué)家揭開埃博拉病毒“復(fù)制機(jī)器”的面紗

今年9月，非洲烏干達(dá)再次出現(xiàn)埃博拉疫情。這意味著埃博拉病毒這把“達(dá)摩克利斯之劍”依然懸在頭頂，時(shí)刻威脅著人們的健康。

科學(xué)界一直想研制一款成本低、有利于推廣的廣譜性抗埃博拉病毒小分子藥物，卻缺乏理論指導(dǎo)。埃博拉病毒聚合酶三維結(jié)構(gòu)的解析是世界性難題。

現(xiàn)在，中國科學(xué)院微生物研究所高福院士團(tuán)隊(duì)和施一研究員團(tuán)隊(duì)合作，首次解析了埃博拉病毒聚合酶復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，為從分子水平理解埃博拉病毒復(fù)制機(jī)制奠定了關(guān)鍵理論基礎(chǔ)。他們還解析了百年老藥蘇拉明能有效抑制埃博拉病毒聚合酶活性的分子機(jī)制，為抗埃博拉病毒的藥物開發(fā)提供了新的靶點(diǎn)和方向。相關(guān)研究9月28日發(fā)表于《自然》。

找到“復(fù)制機(jī)器”

埃博拉病毒病是由埃博拉病毒引起的烈性急性傳染病，主要在人或靈長目動(dòng)物之間傳播。自1976年首次在非洲扎伊爾（現(xiàn)剛果民主共和國）和蘇丹被發(fā)現(xiàn)后，埃博拉病毒已在非洲肆虐了近50年，暴發(fā)過30多次，造成數(shù)萬人死亡，病死率最高可達(dá)90%。

目前，市面上有兩款扎伊爾型埃博拉病毒抗體藥物?！翱贵w藥物具有特異性，不能用于治療其他類型埃博拉病毒以及馬爾堡病毒等絲狀病毒。而且容易發(fā)生免疫逃逸，有可能造成抗體藥物效果變差甚至無效?！闭撐耐ㄓ嵶髡呤┮粚Α吨袊茖W(xué)報(bào)》說。

此外，他表示，由于抗體藥物制造成本比較高，需要低溫儲存，不利于在非洲地區(qū)普及推廣使用。開發(fā)有效安全的廣譜性抗病毒小分子藥物是應(yīng)對不同類型埃博拉病毒和其他絲狀病毒感染的重要研究方向。

科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，埃博拉病毒基因組的轉(zhuǎn)錄與復(fù)制過程由病毒聚合酶L蛋白和其他輔助蛋白形成的復(fù)合物共同完成。聚合酶復(fù)合物是非常理想的廣譜性抗病毒藥物開發(fā)靶點(diǎn)。

此前研究還發(fā)現(xiàn)，瑞德西韋和法比拉韋這兩款藥物具有良好的體外抗病毒活性，臨床效果卻不理想。目前，臨床上尚無批準(zhǔn)可用于治療埃博拉病毒感染的小分子藥物。

那么，現(xiàn)有的靶向聚合酶藥物如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化？能否針對聚合酶保守位點(diǎn)開發(fā)新的藥物來治療埃博拉病毒??？回答這些問題，需要研究人員弄清楚埃博拉病毒的復(fù)制機(jī)制。

埃博拉病毒屬于絲狀病毒科。過去近10年，科學(xué)家對這種病毒的復(fù)雜結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了一些了解，比如它的核糖核酸（RNA）基因組被核蛋白（NP）包裹，形成核糖核蛋白復(fù)合體（RNP），進(jìn)一步與聚合酶蛋白（L）、病毒輔助蛋白（VP35）、轉(zhuǎn)錄激活蛋白（VP30）和核衣殼相關(guān)蛋白（VP24）結(jié)合，形成螺旋狀核衣殼結(jié)構(gòu)，并被基質(zhì)蛋白（VP40）環(huán)繞，進(jìn)一步與病毒表面刺突糖蛋白（GP）形成完整病毒顆粒。

解析埃博拉病毒聚合酶三維結(jié)構(gòu)是全球病毒學(xué)家面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。經(jīng)過多年嘗試摸索，施一與高福合作團(tuán)隊(duì)獲得了埃博拉病毒聚合酶復(fù)合物蛋白（L-VP35復(fù)合物），并利用冷凍電鏡技術(shù)解析其高分辨率三維結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，埃博拉病毒聚合酶L蛋白會(huì)與VP35蛋白四聚體形成穩(wěn)定的復(fù)合物，進(jìn)行病毒基因組復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。

揭開“共舞”機(jī)制

通過深入觀察，研究團(tuán)隊(duì)對聚合酶復(fù)合物的動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化有了微觀水平的了解。

作為病毒“復(fù)制機(jī)器”的核心，聚合酶在生成子代RNA的過程中涉及多種構(gòu)象變化，從而促進(jìn)產(chǎn)物順利合成。其中最重要的構(gòu)象變化是從起始態(tài)到延伸態(tài)的轉(zhuǎn)變。

在此前研究的基礎(chǔ)上，科研人員通過改變冷凍電鏡的制樣條件，捕捉到了埃博拉病毒聚合酶處于延伸態(tài)時(shí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

VP35蛋白如何與L蛋白“共舞”？研究發(fā)現(xiàn)，在病毒復(fù)制過程中，VP35蛋白會(huì)像“橋梁”一樣，起到連接L蛋白和RNP的功能。“當(dāng)L蛋白進(jìn)行病毒基因組復(fù)制時(shí)，以螺旋形的RNP為模板，而不是以裸露的RNA為模板，這時(shí)VP35蛋白主要行使分子伴侶功能，介導(dǎo)L蛋白以RNP為單元進(jìn)行復(fù)制?！笔┮徽f。

他解釋，VP35蛋白四聚體除了中間的寡聚化結(jié)構(gòu)域外，兩頭分別有4個(gè)N端（氨基端）結(jié)構(gòu)域和4個(gè)C端（羧基端）結(jié)構(gòu)域。

其中一個(gè)C端結(jié)合到L蛋白上，進(jìn)一步穩(wěn)定L蛋白與VP35蛋白四聚體的結(jié)合，同時(shí)另外7個(gè)端會(huì)像“八爪魚的腕足”一樣，幫助L蛋白在RNP結(jié)構(gòu)上發(fā)生滑動(dòng)，并結(jié)合單體狀態(tài)下的RNP，阻止其與宿主RNA發(fā)生非特異性相互作用，保證單體NP能夠用于子代RNP的生成。

“如果沒有VP35蛋白，L蛋白就沒法進(jìn)行基因組復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。”施一表示，如果阻斷二者的結(jié)合，病毒將無法復(fù)制。

指導(dǎo)藥物設(shè)計(jì)與優(yōu)化

開發(fā)有效抑制埃博拉病毒的小分子藥物一直是國際熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

施一表示，了解L-VP35復(fù)合物相互作用界面的分子細(xì)節(jié)，為進(jìn)一步開發(fā)靶向聚合酶的藥物提供了新的靶點(diǎn)以及重要指導(dǎo)信息。

值得注意的是，研究者指出，埃博拉病毒聚合酶的N端結(jié)構(gòu)域區(qū)域具有一個(gè)絲狀病毒特有的插入結(jié)構(gòu)域，在其發(fā)揮活性時(shí)必不可少，可成為潛在的抗病毒藥物研發(fā)靶點(diǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)還對百年老藥蘇拉明體外抗埃博拉病毒活性的分子機(jī)制進(jìn)行了探索。

蘇拉明是20世紀(jì)初由德國化學(xué)家保羅·埃利希首次分離出來的，從20世紀(jì)20年代初被廣泛用于治療非洲昏睡病和盤尾絲蟲病等寄生蟲病。近年來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蘇拉明具有抗新冠肺炎以及癌癥的活性。前期初步研究提示蘇拉明也具有抗埃博拉病毒的活性，但其作用機(jī)制不甚清楚。

研究人員通過體外酶活和細(xì)胞復(fù)制子實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蘇拉明能有效抑制埃博拉病毒聚合酶活性，并進(jìn)一步利用冷凍電鏡技術(shù)解析了埃博拉病毒聚合酶與蘇拉明的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示蘇拉明是通過結(jié)合在聚合酶的三磷酸核糖核苷酸進(jìn)入通道，阻礙底物進(jìn)入酶活中心而發(fā)揮抑制作用。蘇拉明與L蛋白相互作用的分子細(xì)節(jié)，為進(jìn)一步改造和優(yōu)化蘇拉明藥物提供了關(guān)鍵參考信息。

一位同行評審人表示，埃博拉病毒L蛋白結(jié)構(gòu)一直是該領(lǐng)域公認(rèn)的空白，這項(xiàng)研究提供了重要信息，有助于促進(jìn)基于結(jié)構(gòu)的抗病毒藥物設(shè)計(jì)。

相關(guān)論文信息

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05271-2

（原載于《中國科學(xué)報(bào)》 2022-09-30 第1版 要聞）