近日，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所高福團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱獸醫(yī)研究所仇華吉團(tuán)隊(duì)、南方科技大學(xué)王培毅團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所章新政團(tuán)隊(duì)以及微生物所施一團(tuán)隊(duì)，在非洲豬瘟病毒（African swine fever virus，ASFV）結(jié)構(gòu)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，解析了非洲豬瘟病毒衣殼（Capsid）的高分辨率電鏡三維結(jié)構(gòu)，并鑒定出多種關(guān)鍵的衣殼蛋白，為非洲豬瘟疫苗研發(fā)和疫病防控提供了重要的理論基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊Cell Host & Microbe上，題為Cryo-EM Structure of the African Swine Fever Virus。
非洲豬瘟（African swine fever，ASF）是感染家豬和野豬的烈性傳染病，其發(fā)病率和致死率高達(dá)100%。早在1921年，非洲豬瘟就在非洲肯尼亞被首次發(fā)現(xiàn)，近百年來(lái)，已經(jīng)擴(kuò)散至南美洲、歐洲以及亞洲等多個(gè)國(guó)家。尤其最近一年來(lái)，非洲豬瘟在以中國(guó)為代表的亞洲國(guó)家肆虐，造成了數(shù)以億計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。因此目前迫切需要研發(fā)安全有效的疫苗和防控技術(shù)來(lái)控制及預(yù)防非洲豬瘟疫情。非洲豬瘟病毒作為非洲豬瘟的病原體，是導(dǎo)致非洲豬瘟疫情的罪魁禍?zhǔn)?，理解其基本?gòu)成和組裝機(jī)制對(duì)于疫情防控和疫苗研發(fā)至關(guān)重要。
通過(guò)收集大量的冷凍電鏡數(shù)據(jù)，研究人員成功解析了非洲豬瘟全病毒的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)。非洲豬瘟病毒顆粒具有獨(dú)特而復(fù)雜的五層結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)分別是外膜（Outer membrane）、衣殼（Capsid）、內(nèi)膜（Inner membrane）、核殼（Core shell）以及核心（Nucleoid）。由于病毒結(jié)構(gòu)本身具有較大柔性，研究人員運(yùn)用了針對(duì)大病毒顆粒結(jié)構(gòu)而開(kāi)發(fā)的分塊重構(gòu)算法（Block-based reconstruction），將一個(gè)不對(duì)稱單元分割成四個(gè)板塊分別進(jìn)行重構(gòu)，最終獲得了4.6埃分辨率的衣殼結(jié)構(gòu)。從整體上看，非洲豬瘟病毒衣殼結(jié)構(gòu)跟其他核質(zhì)大DNA病毒（nucleocytoplasmic large DNA viruses，NCLDVs）衣殼結(jié)構(gòu)較為相似，由20個(gè)三重對(duì)稱殼粒聚集體（Trisymmetron）和12個(gè)五重對(duì)稱殼粒聚集體（Pentasymmetron）組成。其中，每個(gè)Trisymmetron由135個(gè)殼粒（Capsomer）組成，而每個(gè)Pentasymmetron由30個(gè)殼粒和1個(gè)五鄰體（Penton）組成。
通過(guò)對(duì)病毒衣殼結(jié)構(gòu)的細(xì)致分析，研究人員鑒定出了多種衣殼蛋白，分別是主要衣殼蛋白p72（Major capsid protein）、五鄰體蛋白（Penton protein）以及三種不同的次要衣殼蛋白（Minor capsid protein）。p72是非洲豬瘟病毒衣殼上含量最高的蛋白，位于衣殼的外層，是一種比較典型的雙“果凍卷”（Jelly-roll，JR）結(jié)構(gòu)分子。p72蛋白在病毒衣殼表面以三聚體（Trimer）形式存在，從而形成了上述Trisymmetron、Pentasymmetron的基本單位——殼粒。另外一個(gè)位于衣殼外層的蛋白是五鄰體蛋白，位于5次軸的頂點(diǎn)，通過(guò)分子量估算和二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，研究人員推測(cè)五鄰體蛋白很有可能對(duì)應(yīng)于非洲豬瘟病毒中的H240R蛋白。除了鑒定出p72和五鄰體蛋白這兩個(gè)衣殼外層蛋白，研究人員還鑒定出位于衣殼內(nèi)部的三個(gè)不同的次要衣殼蛋白，分別命名為P1、P2和P3。這三個(gè)蛋白在衣殼的內(nèi)部形成了一個(gè)復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)，像“膠水”一樣連接著相鄰的殼粒，從而穩(wěn)定衣殼的整體結(jié)構(gòu)。從分布上看，P1位于Trisymmetron和Pentasymmetron區(qū)域相鄰的p72三聚體（殼粒）間隙，每一個(gè)p72蛋白結(jié)合一個(gè)P1蛋白。而P2是一條長(zhǎng)約100 nm的纖維狀的蛋白，沿著Trisymmetrons的邊緣延伸，相鄰的P2蛋白及其之間的區(qū)域組成了衣殼的“拉鏈”區(qū)域（Zipper）。研究人員發(fā)現(xiàn)，在“拉鏈”區(qū)域連接各個(gè)殼粒的次要衣殼蛋白的結(jié)構(gòu)與P1有明顯不同，是一個(gè)新的次要衣殼蛋白，故命名為P3。后續(xù)研究將進(jìn)一步鑒定這些次要衣殼蛋白的詳細(xì)信息，并深入分析其他可能參與病毒粒子組裝的結(jié)構(gòu)成分。
值得指出的是，近日生物物理所饒子和團(tuán)隊(duì)也發(fā)表了相似的研究成果，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立解析了非洲豬瘟病毒的高分辨率結(jié)構(gòu)，并相互印證了其研究成果。這些精細(xì)的結(jié)構(gòu)信息為人們了解非洲豬瘟病毒的基本結(jié)構(gòu)和組裝機(jī)制提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)疫苗研發(fā)和疫病防控具有重要指導(dǎo)作用。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生劉升、哈爾濱獸醫(yī)研究所副研究員羅玉子、生物物理所博士生王雅娟以及微生物所助理研究員李世華為論文的并列第一作者；高福、仇華吉、王培毅、章新政以及施一為論文共同通訊作者。微生物所研究員齊建勛、畢鈺海和助理研究員彭如超，中科院北京生命科學(xué)研究院助理研究員宋豪以及南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心王培毅團(tuán)隊(duì)全體成員等對(duì)本課題給予了大力支持。該研究獲得中科院非洲豬瘟研究應(yīng)急項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的經(jīng)費(fèi)支持。
