专家点评Nature | 中科大首次揭示单纯疱疹病毒I型的基因组组装机制

来源：BioArt

图1 人疱疹病毒的分类

疱疹病毒的核心组成结构基本相似，由内到外分别是双链的DNA基因组、假二十面体衣壳、中间蛋白层（tegument）和囊膜，它是迄今为止已知的最大的病毒之一。近些年随着冷冻电镜技术的发展，很多病毒的结构得以解析，然而就疱疹病毒而言，这类病毒并不严格遵守二十面体对称性，每个不对称单元中存在一定程度的结构差异。另外疱疹病毒的病毒颗粒直径较大，导致每个颗粒的局部欠焦量（defocus）也差异较大进而引起校正不准的问题，因此疱疹病毒的结构较难解析。2018年4月加州大学洛杉矶分校的Z. Hong Zhou团队和饶子和院士团队研究人员通过改进和优化数据处理的方法，分别解析了HSV-1和HSV-2的衣壳结构【1,2】（详见BioArt报道：Science长文丨饶子和团队等揭示疱疹病毒的组装机制——施一、张凯点评），加深了人们对单纯疱疹病毒衣壳的结构和组装机制的理解。然而目前人们对疱疹病毒生命周期中的关键步骤——基因组的组装还知之甚少。

2019年5月30日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心刘云涛博士、毕国强教授与加州大学洛杉矶分校的Z. Hong Zhou团队合作在Nature杂志上发表了题目为Cryo-EM structures of herpes simplex virus type1 portal vertex and packaged genome的文章，文中利用冷冻电镜首次解析了HSV-1的顶端入口（Portal Vertex）和基因组的原子分辨率结构，阐明其基因组的关键组装机制，这一发现有助于人们更好地理解疱疹病毒的生命周期，对预防和控制这一病毒引起的各种疾病有重要指导意义。

研究人员采用连续局部分类（Sequential Localized Classification）和对称释放（Symmetry Relaxation）的重构方法，解析了顶端入口、基因组末端和dsDNA基因组的结构，发现HSV-1病毒的基因组具有左手超螺旋的缠绕方式和一个无序dsDNA核心（图2）。其中的球状顶端入口结构并未在dsDNA噬菌体中观测到，这表明疱疹病毒在DNA组装过程具有其特异的适应性。

图2 简单疱疹病毒I型的dsDNA基因组和顶端入口结构

在本文中，研究人员首次解析了真核病毒的DNA通道原子模型，发现病毒可以通过DNA序列识别和头部感知（Headful-sensing）方式传递基因组包装的信号，同时也揭示了病毒能够通过分子内和分子间的可塑性来适应五重对称性的衣壳和十二重对称性的DNA通道之间的对称性不匹配（Symmetry mismathes），这种不对称性导致的棘轮运动可能是病毒DNA转运进出衣壳的结构基础。

这项工作揭示了如何解析大型真核病毒中对称性不匹配的元件的结构，对结构生物的发展有重要推动作用；疱疹病毒基因组结构的解析和组装机制的阐明也为针对疱疹病毒的药物开发和以疱疹病毒为载体的靶向治疗提供了扎实的基础；此外，HSV-1通过形成DNA超螺旋的方式来减轻基因组组装过程中DNA的变形扭曲也对揭示细胞基因组的组织结构有重要借鉴意义。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1248-6

专家点评

王祥喜（中科院生物物理所研究员，长期从事病毒结构生物学相关研究）

疱疹病毒是一类经常被“轻视”的病毒，能够引发多种疾病，包括口腔和生殖器疱疹、带状疱疹，严重的甚至包括多种免疫系统疾病、脑炎以及癌症等。同时，疱疹病毒也是结构和遗传水平最复杂的病毒之一，病毒直径为150-200nm，由四层结构组成：最外层承载着多种糖蛋白的囊膜结构层，组成不固定的蛋白质中间层，整体上（非标准）为正二十面体的核衣壳以及最内部的基因组。疱疹病毒的组装与成熟机制，特别是基因组的包装机制还是未解之谜。

美国UCLA Z. Hong Zhou团队和饶子和院士/王祥喜研究员联合团队于2018年4月同时在Science发表两篇独立的工作【1,2】，解析了单纯疱疹病毒一型（HSV-1）和二型（HSV-2）核衣壳原子分辨率三维结构，提出了疱疹病毒核衣壳早期组装模型。尽管疱疹病毒与双链DNA噬菌体在结构、基因组包装机制等病毒特性存在一定的相似性，但疱疹病毒因其更加复杂的结构与更加庞大的基因组，故疱疹病毒需要进化出更加精细调控的基因组包装机制。病毒基因组的包装过程是由寡聚体的末端酶复合体（terminase complex）与DNA通道（Portal）复合体组成的基因组包装机器来实现。与双链DNA噬菌体利用其needle蛋白塞住Portal通道不同，疱疹病毒可能使用其Portal顶点相关复合体将包装完全（headful）的病毒基因组滞留在核衣壳内部。

双链DNA噬菌体作为一种经典的模式病毒之一，其病毒基因组的包装机制相对清晰，科学家们也解析多种噬菌体的核衣壳和Portal complex高分辨结构。尽管如此，关于噬菌体包装机器中terminase复合体是五聚体还是六聚体形态及基因组packaging是采用Rotation还是Revolution进行包装已经开展了近30年的争论。然而，疱疹病毒由于其尺寸大、多层结构和Portal complex只占其核衣壳尺寸的不足百分之一等特征，导致了疱疹病毒的Portal complex在单颗粒三维重构中非常难确定其位置，加之12次对称的Portal complex与其周围的5次对称环境造成的“对称失配”，使得疱疹病毒Portal complex和基因组结构的高分辨的解析变得极具挑战。国内外多个研究组都在挑战这一课题。2018年英国格拉斯哥大学David Bella研究组采用局部vertex mask和5次对称限制进行3D分类能够找到Portal complex的位置，然而Portal complex为12次对称，故5次对称限制也使得Portal complex的结构被错误地平均（该工作发表在Plos Biology）。尽管Portal complex的结构是错误的，但该工作提供了一个方法，正确地找到Portal在核衣壳中位置，也发现了Portal Vertex一些较低分辨率的结构信息。

美国UCLA Z. Hong Zhou团队和中科大毕国强教授团队合作优化了算法，结合连续局部分类、精准优化Mask和对称性释放等计算方法，将疱疹病毒Portal Vertex结构大大提升至近原子分辨率，搭建了Portal complex原子模型，还重构出右手螺旋的末端DNA和环绕在Portal complex的锚定（anchor）DNA以及多层的左手超螺旋缠绕的核心DNA。该结构提出了疱疹病毒通过识别基因组序列和构象传递方式精细调控基因组包装的过程。

冷冻电镜技术快速发展使得过去不可能的事情变成的事实，冷冻电镜作为一种高效而有利的工具，从原子水平分析生物体高楼大厦中的一砖一瓦，同其它技术方法一样，促进了整个生命科学的发展。

参考文献

1、Dai, X., & Zhou, Z. H. (2018). Structure of the herpes simplex virus 1 capsid with associated tegument protein complexes. Science, 360(6384), eaao7298.

2、Yuan, S., Wang, J., Zhu, D., Wang, N., Gao, Q., Chen, W., ... & Wang, X. (2018). Cryo-EM structure of a herpesvirus capsid at 3.1 Å. Science, 360(6384), eaao7283.