刘迎芳、王宏伟等研究组合作揭示RNA聚合酶复合体结构

【字体: 时间:2015年01月26日 来源:中科院

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  流感病毒属负链RNA病毒,有A、B和C型三种类型。其中,A型流感病毒是具有极强的致病性和传播能力的流感病毒种类,在过去有记录的人类历史上,曾经反复爆发,造成人类社会巨大灾难。

  

 1月22日,Molecular Cell 杂志在线发表了题目为Cryo-EM Structure of Influenza Virus RNA Polymerase Complex at 4.3 Å Resolution 的流感病毒RNA聚合酶复合体的结构和功能研究方面的研究成果。

  流感病毒属负链RNA病毒,有A、B和C型三种类型。其中,A型流感病毒是具有极强的致病性和传播能力的流感病毒种类,在过去有记录的人类历史上,曾经反复爆发,造成人类社会巨大灾难。由于流感病毒的快速变异特点,可以不断产生具有抗药性、高致病性的新毒株,从而对人类健康构成长期的重大威胁。流感病毒的复制和转录由其自身编码的流感病毒RNA聚合酶复合体负责,它包括PA,PB1和PB2三个亚基,总分子量约为250KD。揭示流感病毒RNA聚合酶复合体的结构是揭示该复合体工作机制的关键条件之一,也对控制流感病毒至关重要,国际上对此项研究高度重视。虽然对其结构研究的历史可追溯长达四十年,但是由于研究该复合体的难度,该复合体结构一直没有得到揭示。由于其极端重要性,国际上众多国家的研究团队对此开展了长期的研究,竞争十分激烈。

  经过长期不懈的努力,由中国科学院生物物理研究所刘迎芳和清华大学王宏伟课题组等中外多方参与的实验室最终经过通力合作,通过使用最新的高分辨率单颗粒冷冻电镜三维重构技术,解析了含有A型流感病毒RNA聚合酶大部分成分的4.3埃分辨率的四聚体电镜结构。该复合体涵盖了流感病毒聚合酶催化活性的核心区域。四聚体的每个单体内部有一个空腔。从三维重构密度图中可以清晰识别出该空腔内PB1上的催化结构域以及结合的RNA复制起始链,推测是进行RNA合成反应的区域。其活性中心结构与正链RNA聚合酶具有相似性,由此提出了流感病毒合成新生RNA链的机制。在四聚体复合物中,四个单体以D2对称性排列构成一个近似正方形结构。进一步的生物化学与功能研究发现该RNA聚合酶的寡聚状态与其结合的不同RNA底物相关,并可以发生单体-二体-四体之间的四级结构转换,多聚体界面残基的突变可以大大降低流感病毒的活力。在此基础上该论文首次提出了流感病毒转录和复制的转换模型,即四聚体是该复合体复制状态,而单体很可能是转录状态。

  该项工作是刘迎芳研究组继PA亚基结构和功能研究之后,在流感病毒聚合酶结构研究领域取得的重大研究突破,从近原子水平上揭示了流感病毒聚合酶复合体的核心结构,对以后的功能机制研究具有重大意义。在该论文的审稿过程中,法国的一个研究组率先在Nature杂志同时发表了两篇文章,分别报道了B型和蝙蝠流感病毒RNA聚合酶复合体的晶体结构。晶体结构验证了冷冻电镜解析的结构模型,但是与这项工作揭示的A型流感不同,这些聚合酶仅以单体形式存在,因此无法提出复制的可能机制。

  另外,值得一提的是,该论文中报道的这一RNA聚合酶结构是目前利用国内冷冻电子显微学设备所发表的最高分辨率的蛋白质结构。

  该项目主要研究成员包括常胜海、孙大鹏、梁欢欢、王家等十余名联合攻关团队成员。参加该课题研究的还有:美国UCLA教授程根宏研究组、瑞士Paul Scherrer Institute的Dr. Meitian Wang研究组以及浙江大学医学院感染性疾病协同创新中心教授李兰娟研究组等。感谢国家蛋白质科学研究(北京)设施清华大学、中科院生物物理所电镜中心、质谱中心等的大力帮助。该项研究课题得到了中国科学院先导B项目、科技部和国家自然科学基金委的资助。
  

原文摘要:

Cryo-EM Structure of Influenza Virus RNA Polymerase Complex at 4.3 Å Resolution

Replication and transcription of influenza virus genome mainly depend on its RNA-dependent RNA polymerase (RdRP), composed of the PA, PB1, and PB2 subunits. Although extensively studied, the underlying mechanism of the RdRP complex is still unclear. Here we report the biochemical characterization of influenza RdRP subcomplex comprising PA, PB1, and N terminus of PB2, which exist as dimer in solution and can assemble into a tetramer state, regulated by vRNA promoter. Using single-particle cryo-electron microscopy, we have reconstructed the RdRP tetramer complex at 4.3 Å, highlighting the assembly and interfaces between monomers within the tetrameric structure. The individual RdRP subcomplex contains all the characterized motifs and appears as a cage-like structure. High-throughput mutagenesis profiling revealed that residues involved in the oligomer state formation are critical for viral life cycle. Our results lay a solid base for understanding the mechanism of replication of influenza and other negative-stranded RNA viruses.

 

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