難纏的病毒：進入人體后是如何複製再生的

　　2019年03月19日 08:55 科學大家

　
　　

　　出品| 新浪科技《科學大家》、墨子沙龍

　　撰文| 饒子和 結構生物學家，中國科學院院士，南開大學前校長，中國科學院生物物理研究所原所長，清華大學教授

　　生命具有廣闊的時間和空間的尺度，從時間維度上，須臾一瞬，歷經飛秒（fs）尺度的原子反應（1fs=10^-15s），到人壽百年，橫跨數十個數量級。從空間維度上，從原子尺寸Å（1Å=10^-10m）到人體身高平均一米七，我們正走在逼近認知尺度極限的探索道路上。作為結構生物學研究者，我們希望從微觀的原子水平到宏觀的個體尺度上，去窺探生命的奧秘，也必將伴隨著無數荊棘和挑戰。

　　無論探測分子，細胞和個體結構，都需要很先進的手段和技術。生物學跟物理學、化學、計算機、工程技術等交叉學科的緊密配合突破了現有的瓶頸，迎來了結構生物學長足的發展，回答了許多困擾已久的科學問題。

　　實驗的數據，過去對它進行計算機模擬，現在又有人工智慧或者叫大數據系統，希望有一天能做到用於電子虛擬人體，這是整個結構生物學的大方向。

　　

　　結構生物學的大方向：實現電子虛擬人體

　　我帶領的課題組做尺度比較小的東西，包括病毒病原體、新發再發傳染病病原體的研究。我們研究組主要在這個領域裡面進行研究，我們團隊很年輕，2018年研究組成果出現井噴，包括 2篇Science，和許文清教授合作1篇Nature，以及19年剛剛在線發表的Cell文章。這些工作積累了很長時間，湊巧到去年發表了，這些成果都是屬於這批年輕人的。

　　病毒有三個科學問題：

　　第一個科學問題是病毒為代表的病原體，如何能夠跟宿主細胞的受體識別並相互作用，然後入侵宿主細胞。

　　第二個科學問題是轉錄與複製。病毒進入宿主細胞，將其基因組釋放到宿主細胞裡面，病毒基因組如何跟宿主基因組整合，然後進行轉錄複製。這個工作我們是從非典事件開始，以冠狀病毒為研究體系，做了深入的研究。

　　第三個問題是病毒在宿主細胞裡面進行轉錄複製之後，如何裝配起來形成一個病毒顆粒，然後怎麼釋放出去的？

　　

　　有關病毒的三個科學問題

　　我今天給大家講第三個問題，病毒轉錄複製以後如何裝配的？

　　以皰疹病毒為例，過去十幾年我們實驗室解析了二三十個完整病毒的原子水平結構，不光有病毒的結構，還有病毒和受體複合物的結構，病毒和抗體的複合物的結構。這些結構讓我們從原子水平上對病毒的作用機制有一定的了解，為進一步研究它的作用機制和藥物的開發提供了堅實的結構基礎。

　　那麼，皰疹病毒的衣殼是什麼樣的結構？它的Architecture（構造）是什麼樣的？

　　大家知道皰疹病毒、水痘、口腔皰疹、帶狀皰疹，這些都是跟人們生活密切相關的、令人煩惱的病毒。病毒有兩種狀態，一種叫裂解期，還有一種叫潛伏期。病毒侵入人體以後，這兩種狀態都有，免疫系統調節出問題的時候，嘴上或者身體其他部位長出皰疹，這個時候就是活躍期。狀態好它就消下去了，這就是潛伏期。正因為它會潛伏，所以很難根治，往往人們得了一次皰疹病毒以後，它就可能跟你一輩子。在國際上很多很多研究組，都在研究各式各樣的皰疹病毒，皰疹病毒研究隊伍非常之大，但是到現在還沒有根治皰疹的葯。   

　　皰疹病毒從結構水平上來講比較特殊，它特別大，直徑超過200納米。結構有四層。如下圖：

　　

　　皰疹病毒結構

　　外面一層是帶有糖蛋白的囊膜。

　　第二層是蛋白層，叫Tegument，它有Outer Tegument（外部的），還有Inner Tegument（內部的），裡面相當複雜。

　　第三層，綠顏色是比較均一的正二十面體，有一個通道，這個通道叫Portal，是基因組進出的地方，原則上來講，皰疹病毒不是一個嚴格的正二十面體，而是一個帶有瓶口的正二十面體。

　　第四層是雙鏈的DNA基因組。

　　過去的6年，由於冷凍電鏡技術的突破，人們能夠從原子水平上解析很多以前無法解決的複雜結構，大家看到這一系列的結構，一直到Dengue Virus（登革熱病毒）這麼大的結構都在原子水平上得到解析。但像皰疹病毒這麼大的病毒，由於電鏡技術的局限，還沒有辦法做到，我們研究組在計算方法的改進，總算解析了第一個這麼大尺寸的皰疹病毒原子解析度結構，這個工作去年4月份發表在Science上。

　　培養皰疹病毒，分離純化出來后發現有三種形狀的顆粒，一種顆粒叫A顆粒，是空的，裡面沒有基因組，B顆粒也是空的，也沒有基因組，但是有一點支架蛋白在裡面。C顆粒是真正具有感染能力的，帶有完整基因組的顆粒。從尺寸上看，A、B、C三種顆粒幾乎一樣，差別就在於裡面有沒有基因組，C顆粒在表面上還多了一種重要的複合物。

　　我們通過冷凍電鏡解析了A,B,C三種顆粒的結構，通過結構的比對和分析，A和B顆粒衣殼層結構相似，C顆粒包含有序排列的基因組，除此以外C顆粒的五次軸附近結合了CVSC複合物。B顆粒，有一個特殊的通道叫Portal，裡面沒有基因組，通道像瓶子一樣，裡面是空的，沒有被封閉上；C顆粒充滿基因組，portal被UL25封閉。我們解析了B型顆粒結構，是正二十面體的結構，由4000多個蛋白質亞基組成的大球，C顆粒多一個60個Copy的CVSC複合物。如下圖。

　　

　　C顆粒結構

　　這個4000多個蛋白質亞基組成的球，它們是如何高效有序地裝配的？

　　主要靠VP5蛋白。VP5蛋白有1000多個氨基酸殘基，主要通過下部的結構構象的變化相互作用組裝成穩定的核衣殼結構，其組成核衣殼結構主要靠兩個手（結構域），這個紅色標記的結構域叫N-lasso，綠色標記的結構域叫dimerization domain（二聚體化功能域）。這兩隻手為了把蛋白裝成核衣殼，底部結構域發生了顯著的變化以適應局部的組裝微環境的差異，進而組裝成一個近似二十面體結構，而上部的結構域幾乎沒有變化。

　　

　　VP5蛋白

　　下面這個結構有點像故宮角樓的建築，叫大木構架斗拱結構。

　　實際上是球的底部，它是由這些結構組成的。這是一個五聚體，六聚體，這是一個C型的六聚體，它們之間是怎樣構造的？首先看一下五聚體之間怎麼構造的，再看六聚體怎麼構造的，再看五聚體和六聚體之間怎麼構造的，再看六聚體和六聚體之間的結構是怎麼樣的。然後再分析一下三個六聚體之間是怎麼構建的。

　　

　　大木構架斗拱結構

　　看VP5底部兩個手怎麼抓的，再看看其它的細部，這個是五聚體之間的構造，側過來看β摺疊像船子一樣都排起來，然後是六聚體之間的構造，這就是為什麼說它是architecture（建築），它確確實實像4000個單元的房子一樣。

　　五聚體和六聚體之間的兩個平行的α螺旋，整個排下來，再側過來看，這種構造是非常精細的，六聚體和六聚體之間的構造，除了這個還有一堆α——helix cluster (α螺旋簇)，還有對稱的β摺疊，再看三個六聚體之間是怎麼結合的，實際上中間的洞裡面還可以放一個三聚體在裡面。

　　

　　球底部蛋白亞基組裝

　　

再回到瓶口，要看病毒口的結構很難，它只佔整個病毒球小於1%的面積，要解出它的原子水平的結構非常有挑戰性。因為它沒有對稱性，挑戰性就非常大。不管怎麼樣，我們用了Asymmetric Reconstructions的方法解析了這個結構。這個方法是怎麼做的？這屬於很細節的事情了，這裡就不展開講解了。根據解析出來的結構作為藥物靶點，可以來設計抗病毒的藥物，由於數據還未發表，就先不說解析過程了。   

　　

　　饒子和院士的博士生們

　　這項工作是我們一批年輕的學生做出的，王祥喜博士是領頭的，袁帥解析了B顆粒，王佳靈解析C顆粒。楊雲翔和楊盼解析了末端酶，王男解析了Portal，這些都是博士學生。

　　註：文章整理於饒子和在墨子沙龍的演講，略有刪減