Nat Commun |水疱性口炎病毒原子分辨率结构和组装机制

2022-10-17 11:10

水疱性口炎病毒(VSV)具有典型的负链RNA病毒结构，三层结构最外层为镶嵌在包膜上的糖蛋白，中间为基质蛋白，最内层为核衣壳。由于缺乏病毒原位高分辨率结构，目前弹状病毒的组装机制仍不清楚。近日，加州大学洛杉矶分校周正洪团队利用冷冻电镜技术和亚颗粒重构方法，解析了VSV原位病毒结构蛋白，相关研究发表在Nature communications期刊。

VSV是弹状病毒科的模式病毒，广泛应用于疫苗载体和基因治疗。VSV编码核衣壳蛋白(M)、基质蛋白(N)、糖蛋白(G)三种结构蛋白，已有研究解析了M蛋白C端、N蛋白、G蛋白胞外端晶体结构，然而在病毒颗粒中蛋白排布与晶体结构中排布并不相同，支配病毒组装的蛋白亚基相互作用也未得到阐明。

VSV每圈的亚基间差异很大，利用传统的螺旋重构方法无法达到搭建原子模型的分辨率。研究者首先进行了3D分类，对螺旋的小区域进行了螺旋亚颗粒重构，基于亚单位间相互作用，可以发现1个N蛋白和2个M蛋白组成一个不对称单元。一个原子模型包含19个亚基，这些亚基从内到外排列在三个径向层上：N层、IM层和OM层，包含一个完整的不对称单元和两个部分的螺旋不对称单元，每个IM亚基和2个N亚基相互作用，同时IM亚基夹在2个OM亚基间。除了相邻N亚基之间的相互作用，单链RNA穿过N蛋白缝隙，每个N亚基容纳9个RNA碱基。

研究者对比了原位解析的全长N蛋白结构与晶体结构，发现两者很大差异，主要是N端arm和C端伸长的loop，一个N亚基通过N-arm和C-loop与另两个N亚基连接。N-arm和C-loop的构象变化使得每一圈亚基数目不同。IM、OM蛋白部分区段灵活性大，没有电子密度，而且两者构象差异很大。

研究者进一步发现亚基间的相互作用，主要分为三种：侧向、径向和垂直，侧向相互作用主要是N蛋白之间形成，同时单链RNA的存在增强了N蛋白间相互作用。径向相互作用是IM蛋白与内侧的两个N蛋白、以及两个OM蛋白相互作用。垂直相互作用则主要是不同M蛋白之间的作用，决定不同圈间的距离。

研究者利用冷冻电子断层扫描技术对VSV病毒颗粒进行了重构，病毒表面G蛋白三聚体主要以融合前构象形式存在，以六边形或少数五边形方式聚集排列。利用子断层扫描图平均化可以进一步观察到融合后构象中中央G蛋白和个数不等的临近G蛋白。研究者还发现VSV病毒G蛋白的六边形排布与OM蛋白排布相对应，G蛋白与OM蛋白相互作用变化可能促进病毒进入细胞。