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麻疹病毒（MeV）传染性强，严重威胁全球健康。为探究其聚合酶机制，研究人员解析了Lcore?P和Lfull?P?C两种复合物的冷冻电镜结构。这揭示了聚合酶架构及 C 蛋白作用，为抗病毒疗法提供新靶点和思路。
麻疹，这个听起来有些熟悉却又十分危险的疾病，由麻疹病毒（MeV）引发，是一种极具传染性的严重空气传播疾病。它主要盯上儿童群体，但任何年龄段的人都有可能 “中招”。一旦麻疹病毒悄悄潜入呼吸道，就会在人体内 “大闹天宫”，引发高烧、咳嗽、流鼻涕和皮疹等症状，严重时还会导致各种并发症，甚至夺走生命。尽管美国在 2000 年曾宣布消灭麻疹，可近年来，麻疹病毒卷土重来，病例数不断增加。2022 年，世界卫生组织（WHO）估算，全球约有 900 万麻疹病例，13.6 万人因麻疹相关疾病离世，其中大多是未接种或未完全接种疫苗的 5 岁以下儿童。到了 2023 年，全球只有 83% 的儿童接种了第一剂麻疹疫苗，这一比例相比 2019 年有所下降。2024 年中期，美国报告的麻疹病例达到 219 例，是 2019 年以来的最高值，而且近三分之一的住院患者是 20 岁及以上的成年人。麻疹疫情常常在疫苗接种率低的人群中爆发，由于它的传染性极强，潜伏期长达 10 - 14 天，所以能迅速在全球范围内传播。更让人担忧的是，即便接种了疫苗，也有可能感染麻疹。这一系列问题都在提醒我们，必须深入了解麻疹病毒的遗传和分子机制，开发新的疫苗和抗病毒疗法。
麻疹病毒属于副粘病毒科的麻疹病毒属，是一种包膜、非分节段的负链 RNA 病毒（nsNSV）。它的基因组由 15894 个核苷酸组成，能编码 8 种蛋白质，这些蛋白质在病毒的转录和复制过程中发挥着关键作用。其中，由大蛋白（L）和磷蛋白（P）组成的聚合酶复合物，对于病毒的生存和传播至关重要，是开发抗病毒药物的理想靶点。然而，此前麻疹病毒聚合酶复合物的结构一直是个谜，这极大地限制了我们对病毒复制机制的理解和相关药物的研发。
为了揭开这个谜团，美国明尼苏达大学霍梅尔研究所（The Hormel Institute, University of Minnesota）的研究人员 Dong Wang、Ge Yang 和 Bin Liu 等人开展了深入研究。他们成功解析了两种不同的麻疹病毒聚合酶复合物的冷冻电镜结构，分别是Lcore?P和Lfull?P?C ，这一成果发表在《Nature Communications》上，为我们深入了解麻疹病毒的复制机制带来了曙光。
研究人员在研究过程中主要运用了以下关键技术方法：首先是蛋白表达与纯化技术，通过在昆虫细胞中共表达非密码子优化的全长 L 和 P 蛋白，再利用亲和层析和尺寸排阻层析进行纯化，获得了高纯度的聚合酶复合物；其次是冷冻电镜技术，通过对纯化后的复合物进行冷冻电镜样品制备、数据收集和图像处理，最终解析出两种复合物的结构；此外，还运用了体外荧光引物延伸试验和基于细胞的微型基因组试验，分别用于验证聚合酶复合物的 RNA 合成活性和评估突变对转录活性的影响。
结构测定
研究人员在昆虫细胞中共同表达非密码子优化的全长 L 和 P 蛋白，经过亲和层析和尺寸排阻层析纯化得到聚合酶复合物。SDS - PAGE 分析确认了 L 和 P 蛋白的存在，体外荧光引物延伸试验验证了其 RNA 合成活性，基于细胞的微型基因组试验证实了表达序列的活性。通过负染电镜评估颗粒均一性后，运用单颗粒冷冻电镜技术进行结构解析。3D 分类和精修后发现两种不同的复合物：Lcore?P 复合物，包含 L 蛋白的核心区域（NTD、RdRp 和 PRTNase 结构域）和四聚体 P；Lfull?P?C 复合物，不仅有 L 蛋白的所有六个结构域，还结合了 C 蛋白二聚体。最终，Lcore?P 复合物分辨率达到 3.12 ?，Lfull?P?C 复合物分辨率达到 3.30 ?。
Lcore?P复合物的组装和结构
Lcore?P复合物中，L 蛋白的 NTD（1 - 359 位氨基酸）与 PRNTase 结构域和 RdRp 保守亚结构域相互作用，形成模板和核苷酸三磷酸（NTP）入口通道，并与 P 蛋白 C 末端相互作用稳定 L - P 复合物。RdRp 结构域（360 - 934 位氨基酸）折叠成典型的右手结构，包含手指、手掌和拇指亚结构域，其催化核心由六个保守基序（A - F）组成，负责 RNA 合成过程中 NTP、Mg2+和 RNA 的协调。PRNTase 结构域（935 - 1412 位氨基酸）参与 RNA 合成起始、延伸调节和 mRNA 加帽，含有五个保守基序（A' - E'），其两个关键环（引物环和侵入环）在 RNA 合成起始和加帽过程中发挥重要作用。P 蛋白形成稳定的四聚体卷曲螺旋，四个原聚体（P1 - P4）均与 L 蛋白相互作用，通过多种相互作用方式稳定 L - P 聚合酶机制，确保 RNA 合成顺利进行。
Lfull?P?C复合物的组装和结构
在Lfull?P?C复合物中，L 蛋白的 CD、MTase 和 CTD 结构域因 C 蛋白的结合而变得可见。虽然这三个结构域在 nsNSVs 中序列保守性较低，但仍保留一定结构相似性。CD 结构域（1413 - 1711 位氨基酸）对聚合酶正常功能至关重要，可能负责维持 L 蛋白结构可塑性，促进结构域重排。MTase 结构域（1712 - 2035 位氨基酸）执行关键催化反应，对 mRNA 进行甲基化修饰，其活性位点含有催化基序 K - D - K - E 和 GxGxG 基序，与 HMPV 的 MTase 结构比对显示其结合模式保守。CTD 结构域（2036 - 2183 位氨基酸）结构在不同病毒间存在差异，功能尚不明确，但含有真核生物鸟苷酸转移酶（GTase）基序。
C 蛋白二聚体在调节聚合酶构象中的结构作用
C 蛋白以二聚体形式存在于复合物中，位于 RdRp 和 CD - MTase - CTD 结构域之间。其原聚体通过 “头对头” 和 “尾对尾” 的方式结合，形成稳定的二聚体。在Lfull?P?C复合物中，C 蛋白二聚体的结合导致 CD - MTase - CTD 结构域的空间组织发生独特变化，与其他病毒相比，MTase - CTD 结构域发生旋转和位移，可能影响 RNA 隧道的宽度和 RNA 与活性位点的相互作用，进而调节病毒 RNA 合成。
L - C 界面修饰新生 RNA 出口通道
C 蛋白二聚体与 L 蛋白的多个区域相互作用，包括 RdRp、PRNTase、CD 和 MTase 结构域。它位于这些结构域的周边，不影响活性位点构型。C 蛋白二聚体重塑了原有的潜在新生复制 RNA 出口，产生了四个假定的出口。其中，Cavity - 1 最有可能是新生复制 RNA 的出口，这些结构调整可能有助于调节聚合酶效率，促进 RNA 复制的持续性。
C 蛋白调节 MeV 聚合酶的活性
为了探究 C 蛋白对 MeV 聚合酶的调节作用，研究人员构建了缺失 C 蛋白表达的 P 基因突变体，并利用 MeV 单步复制微型基因组系统进行研究。结果表明，C 蛋白能剂量依赖性地抑制 MeV 微型基因组报告基因的活性，说明 C 蛋白可以抑制 MeV 基因表达。通过对 L - C 界面关键残基的突变分析发现，N1358 和 T1429 在 L - C 结合中起重要作用，突变这些残基可能影响聚合酶功能。
在本次研究中，研究人员成功解析了麻疹病毒两种聚合酶复合物的结构，揭示了其详细的分子架构和 C 蛋白在调节聚合酶复合物中的关键作用。这些发现不仅加深了我们对麻疹病毒 RNA 合成机制的理解，还为开发针对麻疹病毒的抗病毒策略提供了重要的结构基础。
从病毒聚合酶作为抗病毒治疗靶点的角度来看，此次研究成果意义重大。此前虽然知道 L - P 复合物在 RNA 合成中的关键作用，但对其结构的不了解限制了药物研发。现在，两种复合物结构的解析，让我们能够更精准地设计靶向药物。比如，针对 C 蛋白与 L 蛋白的相互作用界面，开发能够破坏这种相互作用的药物，从而干扰病毒聚合酶复合物的稳定，抑制病毒复制。
对于 C 蛋白的研究，也为我们理解病毒复制和致病机制提供了新的视角。C 蛋白不仅在调节 RNA 合成方面发挥作用，还可能在病毒感染过程中，参与转录到复制阶段的转换调控。这一发现提示我们，可以通过调控 C 蛋白的功能来干预病毒感染进程，为治疗麻疹病毒感染提供新的方向。此外，研究中发现的 C 蛋白对 DI - RNA 生成的影响，也有助于我们进一步探究病毒基因组的稳定性和变异机制。
总体而言，这项研究成果为麻疹病毒的防治带来了新的希望，为后续的抗病毒药物研发和疫苗优化奠定了坚实基础，有望在未来的临床治疗中发挥重要作用，帮助人类更好地应对麻疹病毒的威胁。
