病毒長相挺完美

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    學過生物學、醫學的人都會對教課書中的插圖讚歎不已。無論是細胞結構還是人體解剖圖,即完美再現了真實的形態,又不像彩色照片會引起不適。這些插圖均出自“被學醫耽誤的畫家”之巧手。現今的學術論文也是如此,也要(或借用計算機軟件)畫出研究成果 - 三維的蛋白結構或病毒結構,以展示論文的完美。

    中國科學院生物物理研究所饒子和院士和王祥喜研究員的團隊及中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所所長步誌高研究員的團隊聯合上海科技大學、清華大學、中科院微生物研究所、中科院武漢病毒研究所、南開大學等單位,於2018年12月開始對非洲豬瘟病毒顆粒和相關抗原分子開展從基礎科研到臨床檢測以及高效疫苗多方麵的聯合攻關研究,並在2019年10月17日的《科學》上發表了題為《非洲豬瘟病毒結構及裝配機製》的學術論文[1]。文中配有許多插圖,完美的詮釋了該病毒的形態。

    該論文的摘要說:非洲豬瘟病毒(African Swine Fever Virus - ASFV)是一種巨大且複雜的雙鏈DNA病毒(1921年在肯尼亞首次發現),在沒有可用疫苗的情況下,會引起高度傳染性且通常致命的豬瘟。使用優化的圖像重建策略,我們解析了高達4.1埃的該病毒的衣殼結構,該結構由17,280個蛋白質組成,包括一個主要(p72)和四個次要衣殼蛋白質(M1249L,p17,p49和H240R),並組合成由五角星和三角星組成的球麵。p72的原子結構告知了假定的構象表位,從而將非洲豬瘟病毒與其他核質大DNA病毒(NucleoCytoplasmic Large Dna Viruses - NCLDV)區別開來。次要衣殼蛋白在衣殼的外部形成一個複雜的網絡,通過將相鄰的衣殼蛋白保持在一起來穩定衣殼。作為核心組織者,長100 nm的M1249L蛋白沿著三角星的每個邊緣延伸,橋接兩個相鄰的五角星,並與其他衣殼蛋白形成廣泛的分子間網絡,從而推動了衣殼骨架的形成。這些結構細節揭示了衣殼穩定性和組裝的基礎,為病毒疫苗開發開辟了新途徑。

    非洲豬瘟病毒的平均直徑d=260-300nm,要比甲肝病毒(HAV)d=30nm、乙型腦炎病毒(JEV)d=50nm、單純皰疹病毒(HSV)d=125nm 要大很多。

    上圖是科研人員低溫電子顯微鏡(EM)檢查純化的病毒體並重建的病毒示意圖,整體分辨率約8.8Å(埃),其中點分辨率為0.1 Å,邊分辨率為4.7 Å,麵分辨率為4.8 Å。

    這個病毒像不像高爾夫球?其實外形真是相似,都是正20麵體。隻不過高爾夫球的重量是1.62盎司 (45.93 克),直徑1.68 英寸(42.67毫米)是本病毒的17萬倍。

    從上圖可以看出,非洲豬瘟病毒具有包含基因組的核苷(第一層即最內層),被厚180層納米直徑的蛋白層(稱為核殼(第二層))包圍,該蛋白層被70層厚的內部脂質雙層膜(第三層紫色)和二十麵體蛋白衣殼(第四層黃藍紫色)最大直徑為250 nm,包含50多種蛋白質。當細胞外病毒穿過細胞質膜時,它會獲得一個外部包膜(第五層橘黃色)。關於感染性病毒體的組成和結構以及負責誘導豬中保護性免疫反應的病毒蛋白的鑒定方麵的大量知識盲點阻礙了疫苗的開發。

    通過使用優化的“基於塊的”重構方法與梯度散焦校正相結合,衣殼重構的分辨率提高到4.8Å。衣殼由2760個偽六聚體的衣殼和12個五聚體的衣殼構成,排列為T=277的二十麵體晶格(h=7,k=12)。在這個晶格中,有12個五角星(包含30個假六聚體和一個五聚體)和20個三角星(包含120個假六聚體和半聚體)。文中給出了衣殼的結構圖,讓人一目了然。

    衣殼的假六聚體(上圖黃色)半胱氨酸的冷凍電鏡圖譜通過局部平均存在於三象征子中的等效拷貝得到進一步改善,從而獲得了 4.1 埃分辨率。多肽的骨架和許多側鏈被明確定義,這使我們能夠建立該病毒主要衣殼蛋白 p72 的原子模型。每個假六聚體的帽聚體由3個 p72 分子組成,五個五鄰體蛋白(不是 p72 的蛋白)構成一個五聚體的殼粒。通過質譜分析了蛋白質組成,並鑒定出63種病毒蛋白和25種宿主細胞蛋白。

    文章說:p72 是關鍵的保護性抗原之一。同一亞基中來自ER3和ER4的β-折疊構成了一個四折β折疊,形成了p72 殼體蛋白的頭部,並可能代表了另一個構象表位。被ER1,ER2和ER4包圍的ER3可能連接這兩個構象表位。這四個內質網可能定義了中和性表位,可用於指導ASF疫苗設計。文中給出了 p72 蛋白、五鄰體蛋白的電鏡結構圖。

    內膜蛋白p17(D117L)是必需的且高度豐富的蛋白,是組裝衣殼和二十麵體形態發生所必需的。所有的病毒為了生存和繁殖,都要經過基因的轉錄翻譯,形成蛋白,並裝配進入衣殼,形成保護內層核酸物質的屏障,就像病毒在穿衣服。其中p17蛋白在裝配中起主要作用,負責最早鉚釘在內膜上,並召集p72蛋白,通過配對方式形成拉鏈結構。

    一位網友提出:“對於疫苗開發來說,主要是證明了之前結構解析[2](即[1]的參考文獻[4])(主要是西班牙人的工作)是錯誤的,二十麵體端點表麵的核心蛋白不是p49而是p72,以這個之前結構為基礎做的重組疫苗沒用是很正常的,而以目前的認識重新開發重組疫苗是有前景有可能的。”

    本論文是目前解析近原子分辨率結構的最大病毒顆粒(一個病毒在低溫電鏡下就會“滿視野”),意義重大。這將對疫苗研發起推動的作用。“解析了病毒結構,不是對這個病毒認識的結束,而是有了一個新的開始”。

    人們不禁要問,“上帝為什麽創造了如此完美的病毒結構”。

    人類對人體病毒的研究已有百年曆史。

研究人體病毒而獲得諾貝爾獎的有

1951年 馬克斯·泰累爾 “黃熱病及其治療方法上的發現”

1954年 約翰·富蘭克林·恩德斯、Frederick C. Robbins和托馬斯·哈克爾·韋勒 “發現脊髓灰質炎病毒在各種組織培養基中的生長能力”

1966年 裴頓·勞斯 “發現誘導腫瘤的病毒”

1969年 馬克斯·德爾布呂克、阿弗雷德·赫希和薩爾瓦多·盧瑞亞 “發現病毒的複製機理和遺傳結構”

1975年 戴維·巴爾的摩、羅納托·杜爾貝科和霍華德·馬丁·特明 “發現腫瘤病毒和細胞的遺傳物質之間的相互作用”

1989年 邁克爾·畢曉普和哈羅德·瓦慕斯 “發現逆轉錄病毒致癌基因的細胞來源”

2008年 哈拉爾德·楚爾·豪森 “發現了導致子宮頸癌的人乳頭狀瘤病毒(HPV)”以及弗朗索瓦絲·巴爾-西諾西和呂克·蒙塔尼 “發現人類免疫缺陷病毒(即艾滋病病毒-HIV)”

來自非洲的惡性病毒

非洲是人類祖先的誕生地,但近年來惡性病毒卻接連不斷了傳來。除了本文所講的非洲豬瘟(一種熱病)病毒外還有:

黃熱病(Yellow Fever)是黃病毒科節肢介體病毒,是人類曆史上發現的第一個人類病毒。源自非洲,17世紀時因奴隸貿易傳往美洲,並在歐美非三洲都爆發過大流行。

西尼羅河病毒(West Nile Virus)黃病毒科西尼羅河病毒,最早發現於1937年的烏幹達,由庫蚊傳播。1999年在紐約發現首個病例。千萬別碰任何死鳥

埃博拉病毒(Ebola Virus)是絲狀病毒科病毒,可導致埃博拉出血熱,此病毒以非洲剛果民主共和國的埃博拉河命名,此地接近首次於1976年爆發的部落。2014年美國發現輸入病例。

寨卡病毒(Zika Virus)黃病毒科病毒,1947年首次在烏幹達寨卡森林的獼猴中發現。之後於1952年在烏幹達和坦桑尼亞聯合共和國的人類中間得到確認。2016年美國發現輸入病例。

此外,

丙型肝炎病毒(Hepatitis C)也是黃病毒科病毒,來源不明,感染者集中於非洲、中亞及東亞。丙型肝炎僅感染人類及其“近親”黑猩猩屬。

登革熱(Dengue fever)病毒也是黃病毒科,來源不明。

參考文獻

[1] Nan Wang, Dongming Zhao, Jialing Wang, Yangling Zhang, Ming Wang, Yan Gao, Fang Li, Jingfei Wang, Zhigao Bu, Zihe Rao, Xiangxi Wang. Architecture of African swine fever virus and implications for viral assembly. Science  17 Oct 2019: DOI: 10.1126/science.aaz1439 

[2] Alí Alejo, Tania Matamoros,Milagros Guerra, and Germán Andrés. A Proteomic Atlas of the African Swine Fever Virus Particle. Jourbal of Virology. 2018 Dec 1; 92(23): e01293-18. doi: 10.1128/JVI.01293-18

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賭城看客 發表評論於
謝謝“煩人”的留言。我喜歡正二十麵體的,不喜歡線狀的,看看埃博拉的電鏡結構(《自然》v567 p137),像個細長的彈簧。
Fanreninus 發表評論於
不錯的科普文,自然界的東西都是很美的,病毒更是如此,是不是越漂亮就越毒?:)
賭城看客 發表評論於
回複 'luck86' 的評論 : 謝謝來訪。剛剛去了你的博客,一眼望去多美的樹木,讓生活在荒漠裏的人們“垂涎三尺”。
luck86 發表評論於
受教。
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