时隔一年 华人教授再次发表Nature文章解析RNA病毒

去年，来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）加州纳米技术研究院的周正洪教授与其合作者在Nature杂志上发文，揭示了双链RNA（dsRNA）病毒的三维原子结构。时隔一年，周正洪教授与孙仁（Ren Sun）再次发表文章，解析了单链RNA病毒。这一研究成果在线公布在12月19日的Nature杂志上，这将有助于科学家们了解病毒的起源。

　　生物通报道：去年，来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）加州纳米技术研究院的周正洪教授与其合作者在Nature杂志上发文，揭示了双链RNA（dsRNA）病毒的三维原子结构，首次指出了病毒如何感知宿主细胞内的环境条件以触发转录，并阐述了dsRNA基因组在病毒内如何组构以及RNA自我复制的机制。

时隔一年，周正洪教授与孙仁（Ren Sun）再次发表题为“In situ structures of the genome and genome-delivery apparatus in a single-stranded RNA virus”的文章，解析了单链RNA病毒。这一研究成果在线公布在12月19日的Nature杂志上，这将有助于科学家们了解病毒的起源。

周正洪教授主要从事计算与结构生物学、微生物学，分子病理与健康信息学等方面的研究，上个世纪90年代开始与同事们分析病毒结构，但是当时的电子显微镜远不如现在的强大，同时高分辨率冷冻电镜技术的出现也能令蛋白、病毒、细胞等生物结构的完整性和瞬间生理活性状态得以保存，用于观察。

此前的Nature文章就是采用基于直接探测电子成像（Direct electron-counting）和非对称三维重构（Asymmetric reconstruction）的冷冻电镜技术，揭示了BmCPV病毒基因组处于活性转录状态时（t-CPV）内部核酸与蛋白质的相互作用关系，将冷冻电镜技术从观察病毒表面结构深入到了内部结构。

双链RNA病毒是病毒中最大的类群，其中轮状病毒作为双链RNA病毒家族最知名的病毒之一，每年引起接近百万的新生儿死亡，因此该成果也将推动人类、动物等类似病毒增殖复制机制的研究，为临床病毒病的防治等提供重要的借鉴和依据。

而单链RNA病毒虽然没有双链RNA病毒那么多，但是却包含了许多很有名的病毒：HIV，埃博拉病毒，小核糖核苷酸病毒（包括甲肝病毒HAV、肠道病毒、脊髓灰质炎病毒、口蹄疫病毒、感冒病毒等），SARS病毒，丙肝病毒HCV等等。而且与双链RNA病毒不同的是，单链RNA病毒不会把它们的基因组包裹到预制的外壳蛋白中，而是利用基因组共同装配壳体，关于这个共同组装的过程，科学家们了解的很少。

最新研究中，研究人员获取了单链RNA病毒：大肠杆菌噬菌体MS2的冷冻电镜结构（分辨率为3.6 Å），并追踪了80%病毒基因组结构，从而发现了这种病毒的壳体共同组装过程中的分子机制，这将为解析核蛋白复合物与病毒起源之间的联系提供了重要的信息。

（生物通：万纹）

作者简介：

周正洪于1995年获美国贝勒医学院生物化学博士学位。现任美国洛杉矶加大（UCLA）终身正教授，并任加州纳米系统学院电子成像中心主任。周正洪博士是跨学科学者；主要从事计算与结构生物学、微生物学，分子病理与健康信息学、生物制药，及纳米生物器件和材料研究。其研究成果多次发表在Nature, Science, Cell，Nature Struct. Mol. Biol., PNAS等著名杂志，共发表论文一百三十余篇，并几十次被选为杂志封面。特别是通过冷冻电镜研究获得了生物大分子原子分辨率三维结构，并为生物大分子复合物结构与功能研究开创了新的研究方法。周正洪博士是冷冻电子显微术和计算机三维结构重建技术领域的领先者。

原文摘要：

In situ structures of the genome and genome-delivery apparatus in a single-stranded RNA virus

Packaging of the genome into a protein capsid and its subsequent delivery into a host cell are two fundamental processes in the life cycle of a virus. Unlike double-stranded DNA viruses, which pump their genome into a preformed capsid1, 2, 3, single-stranded RNA (ssRNA) viruses, such as bacteriophage MS2, co-assemble their capsid with the genome4, 5, 6, 7; however, the structural basis of this co-assembly is poorly understood. MS2 infects Escherichia coli via the host ‘sex pilus’ (F-pilus)8; it was the first fully sequenced organism9 and is a model system for studies of translational gene regulation10, 11, RNA–protein interactions12, 13, 14, and RNA virus assembly15, 16, 17. Its positive-sense ssRNA genome of 3,569 bases is enclosed in a capsid with one maturation protein monomer and 89 coat protein dimers arranged in a T = 3 icosahedral lattice18, 19. The maturation protein is responsible for attaching the virus to an F-pilus and delivering the viral genome into the host during infection8, but how the genome is organized and delivered is not known. Here we describe the MS2 structure at 3.6 Å resolution, determined by electron-counting cryo-electron microscopy (cryoEM) and asymmetric reconstruction. We traced approximately 80% of the backbone of the viral genome, built atomic models for 16 RNA stem–loops, and identified three conserved motifs of RNA–coat protein interactions among 15 of these stem–loops with diverse sequences. The stem–loop at the 3′ end of the genome interacts extensively with the maturation protein, which, with just a six-helix bundle and a six-stranded β-sheet, forms a genome-delivery apparatus and joins 89 coat protein dimers to form a capsid. This atomic description of genome–capsid interactions in a spherical ssRNA virus provides insight into genome delivery via the host sex pilus and mechanisms underlying ssRNA–capsid co-assembly, and inspires speculation about the links between nucleoprotein complexes and the origins of viruses.