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構

　　2015年1月22日，《Molecular Cell》雜志在線(xiàn)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聚合酶復合體的結構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(lèi)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(lèi)，在過(guò)去有記錄的人類(lèi)歷史上，曾經(jīng)反復爆發(fā)，造成人類(lèi)社會(huì )巨大災難。由于流感病毒的快速變異特點(diǎn)，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(lèi)健康構成長(cháng)期的重大威脅。流感病毒的復制和轉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(gè)亞基，總分子量約為250KD。對這一復合體的結構研究是揭示該復合體工作機制的關(guān)鍵條件之一。雖然對其結構研究的歷史可追溯長(cháng)達四十年，但是由于研究該復合體的難度，該復合體結構一直沒(méi)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(kāi)展了長(cháng)期的研究，競爭十分激烈。

　　經(jīng)過(guò)長(cháng)期不懈的努力，由生物物理所劉迎芳和清華大學(xué)王宏偉課題組等中外多方參與的實(shí)驗室最終經(jīng)過(guò)通力合作，通過(guò)使用最新的高分辨率單顆粒冷凍電鏡三維重構技術(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構。該復合體涵蓋了流感病毒聚合酶催化活性的核心區域。四聚體的每個(gè)單體內部有一個(gè)空腔。從三維重構密度圖中可以清晰識別出該空腔內PB1上的催化結構域以及結合的RNA復制起始鏈，推測是進(jìn)行RNA合成反應的區域。其活性中心結構與正鏈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(gè)單體以D2對稱(chēng)性排列構成一個(gè)近似正方形結構。進(jìn)一步的生物化學(xué)與功能研究發(fā)現該RNA聚合酶的寡聚狀態(tài)與其結合的不同RNA底物相關(guān)，并可以發(fā)生單體-二體-四體之間的四級結構轉換，多聚體界面殘基的突變可以大大降低流感病毒的活力。在此基礎上該論文首次提出了流感病毒轉錄和復制的轉換模型，即四聚體是該復合體復制狀態(tài)，而單體很可能是轉錄狀態(tài)。在該論文的審稿過(guò)程中，法國的一個(gè)研究組率先在Nature雜志同時(shí)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構。晶體結構驗證了冷凍電鏡解析的結構模型，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(wú)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(xué)生命科學(xué)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(xué)王佳偉研究組以及浙江大學(xué)醫學(xué)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據采集于國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(北京)設施清華大學(xué)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(xué)院先導B項目、科技部和國家自然科學(xué)基金委的資助。