痘病毒核心蛋白A10的结构。三聚体的三个亚基(颜色不同)表示为模拟的低温电镜表面。每个亚基的低温电镜表面越来越明显。图片来源:?Jesse Hansen

　　最近Mpox的再次出现和暴发使痘病毒重新成为一种公共卫生威胁，突出了一种威胁重要的知识差距是他们的核心。现在，来自奥地利科学技术研究所(ISTA)的一组研究人员通过将各种低温电子显微镜技术与分子建模相结合，揭开了痘病毒核心结构的奥秘。研究结果发表在自然，结构与分子生物学可以促进未来针对痘病毒核心的治疗方法的研究。

　　天花病毒是最臭名昭著的痘病毒，也是折磨人类的最致命的病毒之一，它通过引发天花造成严重破坏，直到1980年被根除。由于使用了另一种痘病毒——恰当地命名为牛痘病毒——进行了广泛的疫苗接种运动，根除工作取得了成功。2022-2023年麻疹病毒的再次出现和爆发再次提醒我们，病毒会想方设法回到公共卫生威胁的最前沿。重要的是，这突出了关于痘病毒的基本问题，这些问题至今仍未得到解答。

　　毫不夸张地说，一个这样的基本问题是问题的核心:“我们知道，痘病毒要具有传染性，它们的病毒核心必须正确形成。但是这个痘病毒的核心是由什么组成的，它的各个组成部分是如何聚集在一起并发挥作用的?ISTA助理教授Florian Schur问道，他是这项研究的通讯作者。

　　舒尔和他的团队现在找到了缺失的一环:一种叫做A10的蛋白质。有趣的是，A10在所有临床相关痘病毒中都是常见的。

　　此外，研究人员发现A10是痘病毒核心的主要组成部分之一。这一知识可能有助于未来研究针对痘病毒核心的治疗方法。

　　整个牛痘病毒的低温电子断层图。病毒和核心的侧视图。内核壁呈粉红色，病毒DNA呈绿色。图片来源:?Julia Datler

　　“当今最先进的低温电镜技术”

　　病毒核心是所有传染性痘病毒形式的共同因素之一。“以前在病毒学、生物化学和遗传学方面的实验表明，痘病毒有几种核心候选蛋白质，但没有实验衍生的结构，”ISTA博士生朱莉娅·达特勒(Julia Datler)说，他是该研究的第一作者之一。

　　因此，该团队开始使用现在著名的基于人工智能的分子建模工具AlphaFold，计算预测主要核心候选蛋白的模型。

　　与此同时，Datler利用她在病毒学方面的背景和Schur小组的主要专业知识:低温电子显微镜(简称cro - em)，为这个项目奠定了生化和结构基础。

　　整个牛痘病毒的低温电子断层图。病毒和核心的俯视图。内核壁呈粉红色，病毒DNA呈绿色。图片来源:?Julia Datler

　　“我们将许多当今最先进的低温电镜技术与AlphaFold分子建模相结合。这让我们第一次对痘病毒核心——病毒内部的‘安全’或‘生物反应器’——有了详细的全面了解，它包围了病毒基因组，并将其释放到受感染的细胞中，”舒尔说。

　　“这有点像赌博，但我们最终设法找到了正确的技术组合来研究这个复杂的问题，”博士后杰西汉森说，他在各种结构生物学技术和图像处理方法方面的专业知识对该项目至关重要。

　　ISTA助理教授Florian Schur(左)和共同第一作者Julia Datler和Jesse Hansen。图片来源:?ISTA

　　痘病毒的全局3D视图

　　ISTA的研究人员从每一个可能的角度检查了“活的”牛痘病毒成熟病毒粒子和纯化的痘病毒核心。

　　Datler说:“我们结合了‘经典’的单粒子冷冻电镜、冷冻电子断层扫描、亚断层扫描平均和AlphaFold分析，以获得痘病毒核心的整体视图。”通过冷冻电子断层扫描，研究人员可以通过逐渐倾斜样本获取图像来重建与整个病毒一样大的生物样本的3D体积。

　　“这就像对病毒进行CT扫描，”汉森说。“低温电子断层扫描，我们实验室的‘专长’，使我们能够获得整个病毒，其核心和内部的纳米级分辨率，”舒尔说。

　　此外，研究人员可以将AlphaFold模型像拼图一样放入观察到的形状中，并识别构成痘病毒核心的分子。其中，核心候选蛋白A10作为主要成分之一脱颖而出。“我们发现A10定义了痘病毒核心的关键结构元素，”Datler说。

　　Schur补充说:“这些发现是解释过去几十年产生的结构和病毒学数据的重要资源。”

　　这项研究的作者来自ISTA。从左至右:Florian Schur, Victor-Valentin Hodirnau, Lukas Bauer, Julia Datler, Jesse Hansen, Andreas Thader, Alois Schl?gl。图片来源:?ISTA

　　发现痘病毒核心的崎岖之路

　　这些发现的路径几乎是直截了当的。“我们需要从一开始就找到自己的路，”Datler说。

　　利用她在生物化学、病毒学和结构生物学方面的专业知识，Datler分离、繁殖和纯化了牛痘病毒样本，并建立了纯化完整病毒核心的方案，同时优化了这些样本的结构研究。“从结构上讲，研究这些病毒核心是非常困难的。但幸运的是，我们的坚持和乐观得到了回报，”汉森说。

　　ISTA的研究人员相信，他们的发现可以为寻求针对痘病毒核心的未来治疗提供一个知识平台。

　　“例如，人们可以想到药物可以阻止核心组装，甚至在感染期间分解和释放病毒DNA。最终，这里所做的基础病毒研究使我们能够更好地准备应对未来可能的病毒爆发，”Schur总结道。

　　参考文献:《多模态低温电镜显示在痘病毒核中形成栅栏层的A10蛋白三聚体》，2024年2月5日，《自然结构与分子生物学》。DOI: 10.1038 / s41594 - 023 - 01201 - 6

　　这项工作的所有作者都隶属于奥地利科学技术研究所(ISTA)。这项工作是Schur小组成员(Julia Datler, Jesse M. Hansen, Andreas Thader, Lukas W. Bauer, Florian K. M. Schur)，科学计算单元(Alois Schl?gl)和电子显微镜设施(Victor-Valentin Hodirnau)之间的合作。