病毒蛋白如何阻止病毒复制的新细节

诸平

Fig. 1 Researchers described the results as "surprising," and said the findings have implications for future vaccine and antiviral drug development. Credit: Joe Mendoza/CSU Photography

据美国科罗拉多州立大学（Colorado State University, CSU）2020年2月7日提供的消息，该大学的一个跨学科研究团队使用计算化学、生物化学和病毒学来发现有关诸如西尼罗病毒（West Nile Virus）、登革热（dengue）和寨卡（Zika）等病毒如何复制的新信息。研究小组科学家指出，根据他们的研究，这些病毒似乎削弱了他们自己的基因组复制机制。研究人员将这一结果描述为“令人惊讶”，并说这些发现对未来疫苗和抗病毒药物的开发有影响（见图1）。这项名为“Motif V调节黄病毒NS3 ATP酶和RNA结合裂隙之间的能量传导(Motif V regulates energy transduction between the flavivirus NS3 ATPase and RNA-binding cleft)”的研究于2020年2月7日已经在《生物化学杂志》（Journal of Biological Chemistry）上发表——Kelly E. Du Pont, Russell B. Davidson, Martin McCullagh, Brian J. Geiss. Motif V regulates energy transduction between the flavivirus NS3 ATPase and RNA-binding cleft, Journal of Biological Chemistry, 2019, 295: 1551-1564. DOI: 10.1074/jbc.RA119.011922.

病毒如何复制

该研究的第一作者，CSU化学博士的凯利·杜庞特（Kelly Du Pont）研究了黄病毒(flaviviruses)中的非结构蛋白质3即NS3（Nonstructural Protein 3—or NS3），黄病毒会引起人类多种疾病，NS3是这些病毒用来复制其基因组的关键酶（图2）。

Fig. 2 Kelly Du Pont, first author of the study, studies Nonstructural Protein 3 - or NS3 - in flaviviruses, which cause a number of diseases in humans. NS3 is a key enzyme that these viruses use to copy their genomes. Credit: Joe Mendoza/CSU Photography

为了使黄病毒复制，NS3解旋酶（NS3 helicase, 是一种结合或重塑核酸的病毒酶）必须解开双链核糖核酸。NS3使用三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP）作为推动解旋（unwinding）的动力源。凯利·杜庞特说，解旋动作类似于夹克上的拉链所发生的动作，而ATP驱动解旋所产生的能量类似于汽车的传动系统。她说：“燃料释放出的能量使活塞上下移动，从而使变速箱和车轮转动，驱动汽车向前行驶。” “ NS3使用ATP作为动力源来解开双链核糖核酸，但我们不知道该机器的曲轴或变速箱在哪里。”

凯利·杜庞特说，这项研究最初专注于试图找出NS3蛋白质的哪些部分的作为其分子变速箱（molecular transmission）。在研究过程时，研究小组确定了NS3在解旋过程中起到刹车作用的部分。他们还发现了突变，这些突变使NS3展开双链核糖核酸的速度比正常情况下更快，但也使病毒在细胞中的复制效率更低。

药物、疫苗开发的潜力

如果研究人员可以了解有关NS3如何解开双链核糖核酸以及如何控制该过程的更多信息，那么他们可以潜在地靶向解旋酶中的区域，以开发用于治疗由病毒引起的疾病的药物。这项研究的资深作者，科罗拉多州立大学微生物学副教授布莱恩·盖斯（Brian J. Geiss）表示，这一发现还可能有朝一日导致改善针对这些病毒的疫苗的开发。他说：“大多数疫苗都是通过发现能减慢病毒生长的随机突变而开发的。” “通过深入了解像NS3这样的病毒酶是如何工作的，我们可以利用这些信息合理地设计出新的突变病毒，这种病毒复制能力较差，而且作为疫苗的效果更好，就不必依靠偶然机会来制造疫苗了。这无疑有助于更迅速、更准确地开发疫苗。”

专用于创建计算模拟的凯利·杜庞特一直在科罗拉多州立大学微生物学、免疫学和病理学系的布莱恩·盖斯实验室工作。尽管在科罗拉多州立大学跨学科工作很普遍，但布莱恩·盖斯说，凯利·杜庞特项目的广度还不算典型。他补充说：“凯利·杜庞特代表了一位真正的跨学科科学家，她能够利用来自许多不同科学领域的工具和知识来回答以前无法回答的问题。” “她利用计算化学、蛋白质生物化学和酶学以及经典的病毒学技术，以前所未有的细节研究这些病毒如何工作。我希望凯利·杜庞特身上具有的在更多未来的科学家身上能够看到。”

研究团队现在正在仔细研究NS3中的变化如何影响病毒的复制,以及这些变化如何影响病毒杀死细胞的能力。凯利·杜庞特和布莱恩·盖斯还与CSU的埃贝尔实验室（Ebel Laboratory at CSU）合作，研究具有改变的NS3蛋白质的病毒，如何感染蚊子并在感染过程中改变其存活率。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

研究人员解决了寨卡病毒解旋酶的结构（Researchers solve the structure of the Zika virus helicase）

Abstract

The unwinding of dsRNA intermediates is critical for the replication of flavivirus RNA genomes. This activity is provided by the C-terminal helicase domain of viral nonstructural protein 3 (NS3). As a member of the superfamily 2 (SF2) helicases, NS3 requires the binding and hydrolysis of ATP/NTP to translocate along and unwind double-stranded nucleic acids. However, the mechanism of energy transduction between the ATP- and RNA-binding pockets is not well-understood. Previous molecular dynamics simulations conducted by our group have identified Motif V as a potential “communication hub” for this energy transduction pathway. To investigate the role of Motif V in this process, here we combined molecular dynamics, biochemistry, and virology approaches. We tested Motif V mutations in both the replicon and recombinant protein systems to investigate viral genome replication, RNA-binding affinity, ATP hydrolysis activity, and helicase-mediated unwinding activity. We found that the T407A and S411A substitutions in NS3 reduce viral replication and increase the helicase-unwinding turnover rates by 1.7- and 3.5-fold, respectively, suggesting that flaviviruses may use suboptimal NS3 helicase activity for optimal genome replication. Additionally, we used simulations of each mutant to probe structural changes within NS3 caused by each mutation. These simulations indicate that Motif V controls communication between the ATP-binding pocket and the helical gate. These results help define the linkage between ATP hydrolysis and helicase activities within NS3 and provide insight into the biophysical mechanisms for ATPase-driven NS3 helicase function.