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中科大利用冷冻电镜首次揭示单纯疱疹病毒I型的基因组装机制

2019-11-21 21:53:13
中科大利用冷冻电镜首次揭示单纯疱疹病毒I型的基因组装机制

2019年5月30日,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心刘云涛博士、毕国强教授与加州大学洛杉矶分校的Z. Hong Zhou团队合作在Nature杂志上发表了题目为Cryo-EM structures of herpes simplex virus type1 portal vertex and packaged genome的文章,文中利用冷冻电镜首次解析了HSV-1的顶端入口(Portal Vertex)和基因组的原子分辨率结构,阐明其基因组的关键组装机制,这一发现有助于人们更好地理解疱疹病毒的生命周期,对预防和控制这一病毒引起的各种疾病有重要指导意义。中科大的研究人员致力于疱疹病毒的研究,今年多次发表相关的研究论文。

疱疹病毒(Herpesviruses)是一类有囊膜的双链DNA病毒,能够感染人类和其他脊椎动物,可引起多种疾病,包括口唇疱疹、脑炎、先天缺陷、生殖器疱疹和肿瘤等,也有研究表明疱疹病毒可能跟阿尔兹海默症相关。疱疹病毒在自然界中广泛分布,目前已从200多种宿主中分离鉴定出疱疹病毒,其中人疱疹病毒可分为α疱疹病毒、β疱疹病毒和γ疱疹病毒这三种类型(图1)。α疱疹病毒亚科的病毒,如单纯疱疹病毒(Herpes simplex virus),复制周期短,繁殖速度快,可潜伏在人的神经节中。根据单纯疱疹病毒血清型的差异又可将其分为I型(Herpes simplex virus type 1, HSV-1)和II型(Herpes simplex virus type 2, HSV-2),HSV-1主要引起生殖器以外的皮肤、粘膜、器官感染,HSV-2主要引起生殖器疱疹。

图1 人疱疹病毒的分类

疱疹病毒的核心组成结构基本相似,由内到外分别是双链的DNA基因组、假二十面体衣壳、中间蛋白层(tegument)和囊膜,它是迄今为止已知的最大的病毒之一。近些年随着冷冻电镜技术的发展,很多病毒的结构得以解析,然而就疱疹病毒而言,这类病毒并不严格遵守二十面体对称性,每个不对称单元中存在一定程度的结构差异。另外疱疹病毒的病毒颗粒直径较大,导致每个颗粒的局部欠焦量(defocus)也差异较大进而引起校正不准的问题,因此疱疹病毒的结构较难解析。2018年4月加州大学洛杉矶分校的Z. Hong Zhou团队和饶子和院士团队研究人员通过改进和优化数据处理的方法,分别解析了HSV-1和HSV-2的衣壳结构,加深了人们对单纯疱疹病毒衣壳的结构和组装机制的理解。然而目前人们对疱疹病毒生命周期中的关键步骤——基因组的组装还知之甚少。

研究人员采用连续局部分类(Sequential Localized Classification)和对称释放(Symmetry Relaxation)的重构方法,解析了顶端入口、基因组末端和dsDNA基因组的结构,发现HSV-1病毒的基因组具有左手超螺旋的缠绕方式和一个无序dsDNA核心(图2)。其中的球状顶端入口结构并未在dsDNA噬菌体中观测到,这表明疱疹病毒在DNA组装过程具有其特异的适应性。

图2 简单疱疹病毒I型的dsDNA基因组和顶端入口结构

在本文中,研究人员首次解析了真核病毒的DNA通道原子模型,发现病毒可以通过DNA序列识别和头部感知(Headful-sensing)方式传递基因组包装的信号,同时也揭示了病毒能够通过分子内和分子间的可塑性来适应五重对称性的衣壳和十二重对称性的DNA通道之间的对称性不匹配(Symmetry mismathes),这种不对称性导致的棘轮运动可能是病毒DNA转运进出衣壳的结构基础。

这项工作揭示了如何解析大型真核病毒中对称性不匹配的元件的结构,对结构生物的发展有重要推动作用;疱疹病毒基因组结构的解析和组装机制的阐明也为针对疱疹病毒的药物开发和以疱疹病毒为载体的靶向治疗提供了扎实的基础;此外,HSV-1通过形成DNA超螺旋的方式来减轻基因组组装过程中DNA的变形扭曲也对揭示细胞基因组的组织结构有重要借鉴意义。

另外,2019年5月2日,中国科学技术大学潘建伟,范桁及朱晓波等人在Science 在线发表题为“Strongly correlated quantum walks with a 12-qubit superconducting processor”的研究论文,该研究使用超导量子比特作为具有高保真操作和断层扫描读数的人工原子,在12比特的超导处理器上研究了一个和两个强相关微波光子的连续时间量子行走。有趣的是,该研究观察到基本量子效应,包括叠加态量子信息的光锥传播,特别是量子比特对之间的纠缠,以及时间演化相关的奇异行为,表示光子反聚束与有吸引力的相互作用。该研究制备出12个超导比特的量子多体纠缠态,不但刷新世界纪录,并为进一步研究多体动力学现象和通用量子计算奠定了基础;

2019年4月10号,中国科学技术大学薛永泉/张冰研究团队等人在Nature上在线发表了题为“A magnetar-powered X-ray transient as the aftermath of a binary neutron-star merger”的文章,发现了首例双中子星并合形成的磁星所驱动的X射线暂现源,证实了双中子星并合直接产物可以是大质量毫秒磁星,明确了一系列关于中子星物态方程与极高磁场强度等基本物理规则条件,进而深化了对中子星基本属性的认识,证实了之前的理论预言;

2019年3月29日,中国科学技术大学傅尧和尚睿研究团队在Science发表Photocatalytic decarboxylative alkylations mediated by triphenylphosphine and sodium iodide的文章。该团队首次提出了基于可见光激发的分子间电荷转移用于光氧化还原催化的新概念,发现了一种简单易得、高效环保的非金属阴离子复合物光催化体系,成功实现了温和条件的脱羧偶联反应,突破了传统反应需要贵金属光催化剂或有机染料的限制;

2019年2月28日,中国科学技术大学薛天,初宝进及马萨诸塞大学医学院Han Gang共同通讯在Cell 在线发表题为“Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae”的研究论文,该研究开发了可注射眼球注射光感受器的上转换纳米粒子(pbUCNPs)。这些纳米颗粒锚定在视网膜光感受器上作为微型NIR光传感器,以产生具有可忽略的副作用的NIR光图像视觉;

2019年1月31日,中国科学技术大学路军岭教授、韦世强教授、杨金龙教授等课题组在Nature发表了题为“Atomically dispersed iron hydroxide anchored on Pt for preferential oxidation of CO in H2”的文章,利用原子层沉积技术(ALD),首次设计出一种新型Fe1(OH)x-Pt单位点界面催化剂结构,并在低温高效去除氢气中微量CO制备高纯氢气方面取得突破性进展;

2019年1月18日,中国科学技术大学潘建伟,赵博等人在在Science上发表了题为“Observation of magnetically tunable Feshbach resonances in ultracold 23Na40K+40K collisions”的研究论文,该研究表明在超低温下观察到的原子 - 分子Feshbach共振以极高的分辨率探测三体势能面有助于提高对超冷碰撞的理解。

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