ATPase结构域的特征性结构及其对拓扑异构酶活性的重要性

　　

近日，国际学术期刊mBio在线发表了中国科学院武汉病毒研究所/抗病毒研究中心邓增钦团队的最新研究成果，论文题目为“Structure-function analysis of the ATPase domain of African swine fever virus topoisomerase”。

DNA拓扑异构酶广泛存在于古菌、原核生物、真核生物和一些核质大DNA病毒中，在基因复制、转录、重组和染色体分离过程中发挥着重要作用，是多种抗肿瘤药物和抗菌药物的靶标。II型拓扑异构酶利用水解ATP产生的能量催化DNA双链的断裂和结合，从而调控DNA的拓扑状态。尽管氨基酸序列同源性较低，几乎所有的II型拓扑异构酶都具有两个保守的功能域：位于蛋白N端的ATPase结构域和紧随其后的DNA结合与切割结构域。研究表明，II型拓扑异构酶可以通过结构域间的变构调节控制多个催化步骤，包括DNA结合、ATP水解和DNA链传递过程。然而，结构域之间的分子偶联机制尚不清楚。

非洲猪瘟病毒（ASFV）是一种高致病性病原体，可引起非洲猪瘟（ASF），病死率可高达100%，目前尚无针对非洲猪瘟的有效疫苗或特异性治疗药物。ASFV特异性编码II型拓扑异构酶，其在病毒基因组复制和转录过程中起着关键作用，是抗ASF的良好药物靶标。前期，邓增钦研究团队首次解析了两种不同功能状态下的ASFV拓扑异构酶冷冻电镜结构，揭示了其独特的结构特征（Zhao et al., mBio, 2023），促进了人们对于病毒拓扑异构酶结构和功能的理解。然而，可能因为ASFV拓扑异构酶结构域之间的连接区域柔性较大，其ATPase结构域在冷冻电镜结构中未得到解析。

近期，研究团队利用X-ray晶体学技术解析了ASFV拓扑异构酶 ATPase结构域与AMPPNP复合物的高分辨率晶体结构（图1），揭示了其三个特征性结构区域：由ATP-lid、QTK-loop和a9螺旋组成的分子内界面，可能参与DNA结合的K-loop环和位于ATPase结构域顶端的触角样a螺旋对。以上三个区域内关键氨基酸的突变降低了基础和DNA刺激的ATPase活性，同时显著抑制了拓扑异构酶全酶的松弛负超螺旋DNA的活性，表明这些特征性结构对拓扑异构酶活性的维持非常重要。此外，研究结果显示三个区域的突变对ATPase活性和全酶的松弛活性产生了平行的影响，表明II型拓扑异构酶的ATP水解、DNA结合和链传递过程是高度偶联的，并由结构域之间的协同互作共同完成（图2）。该研究加深了对II型拓扑异构酶酶活性调控机制的理解，为靶向ATPase结构域的ASFV抗病毒药物研究提供了重要的结构基础。

武汉病毒所助理研究员匡文华和博士研究生赵艳为该论文的共同第一作者，邓增钦研究员和匡文华助理研究员为共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金项目、武汉市知识创新计划基础研究项目、中国科学院率先行动引才计划和湖北省自然科学基金青年项目的经费支持。

论文及前续论文链接：

https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.03086-23

https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.01228-23