Science Advances：南方科技大学鄢仁鸿团队揭示猴痘病毒变异株DNA聚合酶全酶结构组装及其工作的分子机制

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由猴痘(或猴痘)病毒变种(MPXV)引起的持续全球大流行已引起广泛关注。MPXV DNA聚合酶全酶由F8、A22和E4组成，对病毒基因组的复制至关重要，也是开发抗病毒药物的关键靶点。然而，MPXV的DNA聚合酶全酶的组装和工作机制尚不清楚。

2023年4月19日，南方科技大学鄢仁鸿团队在Science Advances 在线发表了题为“Structural basis for the assembly of the DNA polymerase holoenzyme from a monkeypox virus variant”的研究论文，该研究展示了DNA聚合酶全酶的冷冻电子显微镜(cryo-EM)结构，总分辨率为3.5。

出乎意料的是，全酶被组装成异源三聚体的二聚体，其中F8和A22的拇指结构域之间的额外界面显示A22与底物DNA之间的冲突，表明其处于自抑制状态。该研究发现外源双链DNA的加入将六聚体转变为三聚体，暴露DNA结合位点，可能代表更活跃的状态。该研究的发现为开发针对MPXV和相关病毒的靶向抗病毒疗法提供了关键步骤。

最近暴发的猴痘(或猴痘)病毒变种(MPXV)已迅速蔓延到110多个国家，自2022年5月初以来确诊病例超过8万例(截至2022年11月26日)。世界卫生组织(世卫组织)宣布全球猴痘大流行是国际关注的突发公共卫生事件，并呼吁研究疫苗、治疗方法和其他工具来对抗这种病毒。MPXV是痘病毒科的一员，痘病毒科是一种包膜双链DNA (dsDNA)病毒，它还包括天花病毒，天花的病原体在20世纪夺走了数百万人的生命。系统发育分析显示MPXV两个主要分支：西非(WA)和刚果盆地(CB)。虽然CB分支的致死率通常为1%至5%，但WA分支病例在非免疫功能低下患者中很少致命。基因组测序显示，目前的MPXV疫情起源于2018年的WA毒株，但包含50个额外的突变。

MPXV是一种传染性人畜共患病毒，首先从猴子中分离出来，可通过与受感染动物密切接触传播给人类。它还可以感染多种哺乳动物，如绳松鼠、冈比亚袋鼠、非洲刺猬、黑猩猩等。人与人之间的传播通常通过直接接触传染性皮疹、疮和结痂发生。此外，这次暴发中的许多确诊病例可追溯到性传播。

MPXV DNA聚合酶的生化特性（图源自Science Advances ）

在感染期间，正痘病毒家族的成员，如MPXV，使用一组病毒编码的蛋白质在受感染细胞的病毒衍生的核周位点复制其基因组。与痘苗病毒(VACV)类似，MPXV的DNA聚合酶全酶由病毒基因组编码，包含三种蛋白质：尿嘧啶-DNA糖基化酶E4、加工因子A22和DNA聚合酶F8，属于b家族聚合酶，分别对应于VACV中的D4、A20和E9。A22是连接F8和E4的桥梁，其中E4对于病毒DNA模板与酶的有效结合至关重要。

许多针对Poxviridae DNA聚合酶全酶的尝试被开发出来，例如无环磷酸胞嘧啶类似物cidofovir (CDV)和CDV衍生的前药brincidofovir(也称为CMX001)，但DNA聚合酶突变变体赋予了对这些药物的抗性。与之前的MPXV菌株相比，2022 WA菌株在F8 DNA聚合酶上多了6个突变(L108F、W411L、T428I、S484A、V501I和D785N)。值得注意的是，在感染过程中，疫苗病毒DNA聚合酶E9的表达受到严格控制。E9 mRNA转录和翻译水平在感染后约2 ~ 3.5小时达到峰值，然后下降，在感染后5 ~ 6.5小时几乎检测不到，可能过渡到晚期基因表达。然而，感染过程中DNA聚合酶活性调控的分子机制尚不清楚。

该研究展示了来自2022 WA毒株(GenBank ID： ON563414.3)的DNA复制全酶F8/A22/E4的冷冻电镜(Cryo-EM)结构，总分辨率为3.5 ？。出乎意料的是，与之前报道的任何其他B家族聚合酶不同，全酶复合物是作为异源三聚体的二聚体组装的。据目前所知，这是第一次发现B家族聚合酶的六聚体组装。结构分析表明，在MPXV的六聚体形式的DNA聚合酶全酶中，DNA聚合酶F8直接与尿嘧啶-DNA糖基化酶E4相互作用，与之前来自VACV的低分辨率模型相反，该模型假设复合物在形状上是细长的，DNA聚合酶和尿嘧啶-DNA糖基化酶是分离的。此外，F8的高分辨率结构为进一步分析每个结构域和出现的突变提供了一个框架，这可能有助于提高对靶向全酶的药物可用性的理解。

南方科技大学医学院生物化学系鄢仁鸿助理教授为该论文的通讯作者，博士研究生李雅宁、申雅萍和胡紫薇为本文的共同第一作者。该项目受到南方科技大学科研公共服务平台冷冻电镜机组、西湖大学冷冻电镜平台和超算中心的大力支持。

原始出处：

YANING Li et al. Structural basis for the assembly of the DNA polymerase holoenzyme from a monkeypox virus variant. SCIENCE ADVANCES， 19 Apr 2023， Vol 9， Issue 16.