PNAS，Science子刊等三篇论文揭示了病毒DNA包装马达的内部工作原理

在三篇论文中，研究人员发现了将遗传物质打包成双链DNA病毒的分子马达的内部工作原理。这一进展提供了对痘、疱疹和腺病毒等病毒复制周期的关键步骤的深入了解。它也可能给研究人员提供灵感，以自然产生的生物马达为基础，创造微型机器。

　　

 

   

图片:三项研究揭示了病毒DNA包装马达的工作原理，可能为新的治疗方法或合成分子机器提供见解。五种蛋白质中的每一种在…

资料来源:Joshua Pajak，杜克大学

DURHAM, N.C. -一组研究人员已经发现了分子马达的内部工作原理，它将遗传物质打包成双链DNA病毒。这一进展提供了对痘-疱疹病毒和腺病毒等病毒复制周期的关键步骤的深入了解。它也可能给研究人员提供灵感，以自然产生的生物马达为基础，创造微型机器。

这项研究是由来自杜克大学、明尼苏达大学、马萨诸塞大学和德克萨斯大学医学分部(UTMB)的科学家进行的。研究结果发表在《科学进展》(Science Advances)、《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)和《核酸研究》(核酸研究)上的三部曲论文中。

杜克大学机械工程和材料科学、生物医学工程和化学教授Gaurav Arya说:“有一些缺失的信息阻碍了我们理解这些DNA包装马达的工作原理，阻碍了我们设计治疗方法或发展新技术的能力。”“但有了新的见解和模拟，我们能够拼凑出这种奇妙机制的模型，这是迄今为止为这类系统创建的最详细的模型。”

病毒有许多种类，但它们的分类通常取决于它们是将其基因蓝图编码成RNA，还是单链或双链DNA。这种差异在很多方面都很重要，影响着遗传物质如何被包装成新的病毒。有些病毒会在新生成的RNA或DNA周围形成一种称为衣壳的蛋白质容器，而另一些病毒则先产生衣壳，然后再将遗传物质填满。

大多数双链DNA病毒采取后一种途径，这提出了许多挑战。DNA带负电荷，不希望被挤在一个小空间里。它被打包成一个非常致密的，近乎结晶的结构，这也需要很大的力量。

在Arya实验室工作的博士生Joshua Pajak说:“这样做的好处是，当病毒准备好感染新细胞时，压力有助于将DNA注入细胞。”“据估计，压力超过800 PSI，这几乎是一瓶香槟压力的10倍。”

在如此巨大的压力下将DNA压缩到一个小小的衣壳中需要一个非常强大的马达。直到最近，研究人员对这个马达是如何工作的还只是一个模糊的概念，因为它很难被想象出来。马达只装配在病毒粒子上，这比马达要大得多。

Pajak说:“想要看到附着在病毒上的发动机，就像拍下自由女神像的整个雕像，想要看到自由女神像火炬的细节一样。”

但在最近的一次会议上,Pajak得知马克?莫莱斯UTMB,生物化学和分子生物学教授和保罗?贾丁诊断和生物科学教授,明尼苏达大学多年来一直工作在这个电机,设备和技能需要看到细节。他们的一些初步结果似乎与Pajak用现有的少量信息建立的模型相吻合。他们的团队越来越兴奋，因为他们各自的发现正汇聚到一个共同的机制上，并迅速着手一起解决病毒发动机的谜团。

在发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，Morais和他的同事们用其中一种配置解决了整个马达的细节问题。他们发现，马达由五种蛋白质组成，它们相互连接形成环状结构。每一个蛋白质都像两个中间有弹簧的吸盘，使底部以螺旋的形式垂直移动，这样它就可以抓住DNA的螺旋主干。

Morais说:“因为你可以在一个大头针上安装大约10万个这样的马达，而且它们都在四处摆动，要仔细观察它们是很困难的。”“但在我的UTMB同事迈克尔·伍德森和马克·怀特帮助我们用低温电子显微镜给它们成像后，这个机制的总体框架就就位了。”

在发表在《核酸研究》上的第二篇论文中，Morais小组利用x射线晶体学捕捉到了第二种结构的马达。这一次，发动机的底部吸盘都聚集成一个平面环，这让研究人员认为，发动机可能会通过在两种构型之间的棘轮运动，将DNA转移到病毒中。

为了验证这一假设，Pajak和Arya在Anton 2上进行了重型模拟，Anton 2是目前运行分子动力学模拟最快的超级计算机。他们的结果不仅支持了提议的机构，而且还提供了关于电机齿轮在两种配置之间如何扭曲的信息。

当蛋白质的顶部静止地附着在病毒粒子上时，它们的下半部分在一种叫做ATP的携带能量分子的驱动下，以循环方式上下移动。一旦所有的蛋白质都向上移动——拖着DNA一起——蛋白质就会释放ATP化学反应的副产品。这导致较低的环释放DNA，回到原来的螺旋状态，在那里它们再次抓住更多的ATP和DNA，重复这个过程。

“约书亚拼凑了很多线索和信息，创造了这个模型，”艾莉亚说。“但一个模型只有在它能预测我们还不知道的新见解时才有用。”

该模型的核心是一系列机械动作，它们必须配合在一起，并按顺序发生，以便一切正常工作。Pajak的模拟预测了一系列特定的机械信号，这些信号告诉蛋白质的底部它们是否应该抓住DNA。就像倒下的多米诺骨牌一样，从中间移除一条信号通路应该会阻止连锁反应并阻断信号。

为了验证这一预测，研究人员转向Jardine和他的同事Shelley Grimes和Dwight Anderson，看看移除一个信号多米诺骨牌是否真的能阻止发动机包装DNA。发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的第三篇论文表明，这种破坏起了作用。在信号通路上的多米诺骨牌发生突变后，它无法正常工作，发动机仍然可以像以前一样结合和燃烧燃料，但在包装DNA方面要差得多。

贾丁说:“由高分辨率结构和详细的预测所预测的新机制提供了比我们以前所知道的更多的细节。”“这使我们能够测试马达关键部件的作用，从而评估我们目前所了解的这种新机制的有效性。”

结果有力地表明，该模型非常接近描述如何电动机在自然界的行为。该小组计划继续其高度集成的结构、生化和模拟方法，以进一步测试和完善拟议的模型。他们希望这一基本的认识有可能在未来的某一天被用于对抗疾病或制造合成分子马达。

“所有的科技都以这样或那样的方式受到自然的启发，”艾莉亚说。“现在我们真的知道了分子马达是如何工作的，希望它能激励其他研究人员使用同样的机制创造新的发明。”

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"Viral Packaging ATPases Utilize a Glutamate Switch to Couple ATPase Activity and DNA Translocation." Joshua Pajak, Rockney Atz, Brendan J. Hilbert, Marc C. Morais, Brian A. Kelch, Paul Jardine, and Gaurav Arya. PNAS, April 27, 2021 118 (17) e2024928118. DOI: 10.1073/pnas.2024928118

"A Viral Genome Packaging Motor Transitions Between Cyclic and Helical Symmetry to Translocate dsDNA," Michael Woodson, Joshua Pajak, Bryon P. Mahler, Wei Zhao, Wei Zhang, Gaurav Arya, Mark A. White, Paul J. Jardine and Marc C. Morais. Science Advances, 07 May 2021: Vol. 7, no. 19, eabc1955. DOI: 10.1126/sciadv.abc1955

"Atomistic Basis Of Force Generation, Translocation, and Coordination in a Viral Genome Packaging Motor," Joshua Pajak, Erik Dill2, Emilio Reyes-Aldrete, Mark A. White, Brian A.Kelch, Paul J. Jardine, Gaurav Arya1, and Marc C. Morais. Nucleic Acids Research, 2021. DOI: 10.1093/nar/gkab372