2018年6月25日，美国科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences, USA）在线发表了清华大学生命科学学院程凌鹏副研究员和湖南师范大学刘红荣教授、中国科学院武汉病毒研究所方勤研究员等人合作的题为“Structure of RNA polymerase complex and genome within a dsRNA virus provides insights into the mechanisms of transcription and assembly”的研究论文。
图1 草鱼出血病毒双层衣壳和内部RNA聚合酶复合物及其核酸的结构
该研究完全利用在200kV中端冷冻电镜上收集的图像与程凌鹏和刘红荣俩人此前提出的对称失配三维图像处理算法解析了呼肠孤病毒科草鱼出血病毒近原子分辨的二十面体衣壳和内部非二十面体对称的聚合酶、辅助蛋白及病毒核酸结构在内的病毒完整结构，阐述了病毒聚合酶及其复合物与核酸、衣壳蛋白之间复杂的相互作用及精细的结构信息，研究了该病毒通过衣壳蛋白构象变化来协调聚合酶的复制与转录状态切换的机制。该工作也是迄今为止所报道的用200kV电镜获得的尺度最大的生物大分子复合物的近原子分辨率结构（由1500多份蛋白分子聚合成的超过 直径的颗粒，最好的区域结构分辨率为 ）
图2 病毒衣壳内RNA聚合酶复合物的结构
病毒三维结构研究已有50多年，在之前的研究只聚焦在病毒外部二十面体对称衣壳蛋白结构，而其内部核酸结构通常被认为是柔性无固定结构。2015年，程凌鹏和合作者首次提出了冷冻电镜对称失配三维重构方法，并用之在国际上首次解析了单层衣壳的双链RNA基因组的呼肠孤病毒科病毒内部基因组及相关蛋白结构。相关的系列研究成果先后发表于Science、Biophysics Reports和Journal of Molecular Biology等国内外学术期刊上（链接见文后）。其意义在于首次告诉人们病毒的二十面体衣壳内部的基因组及相关的蛋白不是一直以来所认为的无固定形状的分布，而是呈某种规律排列这一学术观点，并且首次给出了一种有效的结构解析方法。此次程凌鹏和合作者又在国际上首次解析了二十面体双层衣壳的双链RNA呼肠孤病毒内部聚合酶复合物和核酸的三维结构，为进一步阐明双链RNA病毒内部结构及病毒复制和转录机制提供了丰富的结构信息。这一系列的研究成果表明呼肠孤病毒科病毒的RNA聚合酶和基因组排列为一个不完整的二重三次对称，其双链RNA分层状排列，相邻的RNA平行排列。该系列研究成果否定了近二十年来占据双链RNA病毒研究领域的“病毒衣壳内的RNA基因组和聚合酶呈线轴状排列”这一主流观点，为阐明双链RNA病毒的复制和转录的分子机制提供了结构基础。
程凌鹏、刘红荣和方勤三人为本文的通信作者。湖南师大研究生王勖荣和中科院武汉病毒所助理研究员张付贤博士为本文共同第一作者。清华大学生命科学学院王佳伟副教授和其研究生宿锐、清华大学蛋白质研究技术中心杨涛高工、湖南师大研究生李小武和陈文沅以及中科院武汉病毒所陈清秀实验师参与了本项研究工作。该系列研究得到了科技部、国家自然科学基金委和清华大学蛋白质研究技术中心等单位的资助。
相关论文链接：
http://www.pnas.org/content/early/2018/06/21/1803885115
http://science.sciencemag.org/content/349/6254/1347
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022283616305204
https://link.springer.com/article/10.1007/s41048-016-0024-5?view=classic
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