王宏偉、劉迎芳課題組合作揭示A型流感病毒RNA聚合酶復合體的三維冷凍電鏡結(jié)構(gòu)

　　2015年1月22日，《Molecular Cell》雜志在線發(fā)表了題目為 “Cryo-EM Structure of Influenza Virus RNA Polymerase Complex at 4.3 Å Resolution”的流感病毒RNA聚合酶復合體的結(jié)構(gòu)和功能研究方面的重要研究成果。

　　流感病毒屬負鏈RNA病毒，有A、B和C型三種類型。其中，A型流感病毒是具有極強的致病性和傳播能力的流感病毒種類，在過去有記錄的人類歷史上，曾經(jīng)反復爆發(fā)，造成人類社會巨大災(zāi)難。由于流感病毒的快速變異特點，可以不斷產(chǎn)生具有抗藥性、高致病性的新毒株，從而對人類健康構(gòu)成長期的重大威脅。流感病毒的復制和轉(zhuǎn)錄由其自身編碼的流感病毒RNA聚合酶復合體負責，揭示流感病毒RNA聚合酶復合體的復制機制是控制流感病毒的關(guān)鍵所在，國際上對此項研究高度重視。流感病毒聚合酶包括PA，PB1和PB2三個亞基，總分子量約為250KD。對這一復合體的結(jié)構(gòu)研究是揭示該復合體工作機制的關(guān)鍵條件之一。雖然對其結(jié)構(gòu)研究的歷史可追溯長達四十年，但是由于研究該復合體的難度，該復合體結(jié)構(gòu)一直沒有得到解析。由于其極端重要性，國際上眾多國家的研究團隊競相對此開展了長期的研究，競爭十分激烈。

　　經(jīng)過長期不懈的努力，由生物物理所劉迎芳和清華大學王宏偉課題組等中外多方參與的實驗室最終經(jīng)過通力合作，通過使用最新的高分辨率單顆粒冷凍電鏡三維重構(gòu)技術(shù)，解析了含有A型流感病毒RNA聚合酶大部分成分的4.3埃分辨率的四聚體電鏡結(jié)構(gòu)。該復合體涵蓋了流感病毒聚合酶催化活性的核心區(qū)域。四聚體的每個單體內(nèi)部有一個空腔。從三維重構(gòu)密度圖中可以清晰識別出該空腔內(nèi)PB1上的催化結(jié)構(gòu)域以及結(jié)合的RNA復制起始鏈，推測是進行RNA合成反應(yīng)的區(qū)域。其活性中心結(jié)構(gòu)與正鏈RNA聚合酶具有相似性，由此提出推測了流感病毒合成新生RNA鏈的機制。在四聚體復合物中，四個單體以D2對稱性排列構(gòu)成一個近似正方形結(jié)構(gòu)。進一步的生物化學與功能研究發(fā)現(xiàn)該RNA聚合酶的寡聚狀態(tài)與其結(jié)合的不同RNA底物相關(guān)，并可以發(fā)生單體-二體-四體之間的四級結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，多聚體界面殘基的突變可以大大降低流感病毒的活力。在此基礎(chǔ)上該論文首次提出了流感病毒轉(zhuǎn)錄和復制的轉(zhuǎn)換模型，即四聚體是該復合體復制狀態(tài)，而單體很可能是轉(zhuǎn)錄狀態(tài)。在該論文的審稿過程中，法國的一個研究組率先在Nature雜志同時發(fā)表了兩篇文章，分別報道了B型和蝙蝠流感病毒RNA聚合酶復合體的晶體結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)驗證了冷凍電鏡解析的結(jié)構(gòu)模型，但是與本工作揭示的A型流感不同，這些聚合酶僅以單體形式存在，因此無法提出復制的可能機制。

　　該項目主要研究成員包括生物物理所常勝海、孫大鵬博士、梁歡歡博士、清華大學生命科學聯(lián)合中心博士研究生王家等十余名聯(lián)合攻關(guān)團隊成員。參加本課題研究的還有：美國UCLA的程根宏教授研究組、瑞士Paul Scherrer Institute的Dr. Meitian Wang研究組、清華大學王佳偉研究組以及浙江大學醫(yī)學院感染性疾病協(xié)同創(chuàng)新中心的李蘭娟教授研究組等。該工作的高分辨率冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集于國家蛋白質(zhì)科學研究(北京)設(shè)施清華大學冷凍電子顯微鏡平臺，也獲得了中科院生物物理所電鏡中心的大力幫助。該項研究課題得到了中國科學院先導B項目、科技部和國家自然科學基金委的資助。