為了使病毒繁殖，它們通常需要它們感染的細胞的支持。在許多情況下，只有在宿主的細胞核中才能找到感染其他細胞之前可以繁殖其遺傳物質(zhì)的機器，酶和構(gòu)件。但是，并非所有病毒都能進入細胞核。一些保留在細胞質(zhì)中，因此必須能夠獨立繁殖其遺傳物質(zhì)。為此，他們必須帶上自己的“機加工廠”。在此過程中的關(guān)鍵作用是由各種亞基組成的特殊酶：RNA聚合酶。該復(fù)合體從病毒基因組中讀取遺傳信息，并將其轉(zhuǎn)錄為信使RNA(mRNA)，作為基因組中編碼蛋白質(zhì)的藍圖。

維爾茨堡朱利葉斯-馬克西米利安斯大學(xué)生物中心的科學(xué)家和哥廷根的馬克斯·普朗克生物化學(xué)研究所(MPI)的科學(xué)家現(xiàn)在首次成功地解決了牛痘病毒 RNA聚合酶的三維結(jié)構(gòu)解析度。牛痘病毒屬于痘病毒家族，是對人體無害，并形成所有天花疫苗的基礎(chǔ)。由于其良性，目前已針對溶瘤病毒療法進行了測試，這是一種抗癌新策略。

JMU維爾茨堡大學(xué)第一生物化學(xué)系主任Utz Fischer和生物物理化學(xué)MPI分子生物學(xué)系主任兼負責(zé)人Patrick Cramer負責(zé)這項工作。他們現(xiàn)在在Cell雜志上的兩個同時出版的出版物中介紹了他們的合作成果。

分子鉗將所有東西結(jié)合在一起

Fischer解釋說：“痘苗病毒RNA聚合酶基本上以兩種形式存在：實際的核心酶和更大的復(fù)合物，由于各種附加的亞基，它們具有特殊的功能。” 核心酶在很大程度上類似于另一種已知的酶，長期以來一直是Cramer部門的重點：細胞RNA聚合酶II。這是在細胞核中找到的，在那里它讀取基因組上的信息并將其轉(zhuǎn)錄成mRNA。Fischer將牛痘RNA聚合酶的第二種復(fù)合物稱為“全能者”。它由許多亞基組成，可以完成病毒的整個轉(zhuǎn)錄過程，從而使病原體的繁殖邁出了重要的一步。

牛痘病毒RNA聚合酶的三維結(jié)構(gòu)在原子分辨率下。圖片來源：Clemens Grimm

該復(fù)合物由病毒從其宿主細胞中借出的一種分子結(jié)合在一起：所謂的轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)。這種類型的分子通常在轉(zhuǎn)錄中不起作用，但是提供了氨基酸構(gòu)件用于蛋白質(zhì)生產(chǎn)。結(jié)構(gòu)生物學(xué)家克萊門斯·格里姆(Clemens Grimm)說，“如果沒有宿主tRNA的參與，這種龐大的機器及其所有特定的亞基就會崩潰”，他與MPI的Hauke Hillen一起進行了結(jié)構(gòu)分析。研究人員懷疑，tRNA分子除了具有連接功能外，還執(zhí)行了另一項重要任務(wù)。這項研究的共同作者兼癌癥負責(zé)人阿拉達德·薩萊(Aladar Szalay)解釋說：“該tRNA只能裝載谷氨酰胺，谷氨酰胺不僅是蛋白質(zhì)生產(chǎn)所必需的氨基酸，而且是細胞的重要能量和氮源。” JMU的治療研究中心(CTRC)。由于該病毒依靠氮來復(fù)制，tRNA可以充當(dāng)傳感器，為病毒提供有關(guān)宿主細胞中當(dāng)前氮含量的信息。如果氮水平降至一定值以下，則可能是病毒盡快離開宿主的信號。但這到目前為止只是一個假設(shè)。

為了了解病毒RNA聚合酶的工作原理，研究人員還確定了其在不同轉(zhuǎn)錄步驟中的三維結(jié)構(gòu)。有了這些新發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在就可以從結(jié)構(gòu)的角度了解病毒繁殖的整個過程。就像在電影中一樣，可以追蹤這種分子機器在原子水平上的功能以及如何編排各個過程。“令人驚奇的是，機器的構(gòu)件在轉(zhuǎn)錄開始后如何重新排列以驅(qū)動RNA產(chǎn)物的合成-這種復(fù)合物確實非常動態(tài)，” Hillen解釋說。為了獲得這種見解，生物化學(xué)家和結(jié)構(gòu)生物學(xué)家必須緊密合作：JMU的生物化學(xué)家Julia Bartuli和Kristina Bedenk在長達一年的過程中對聚合酶復(fù)合物及其所有相互作用成分進行了純化和生物化學(xué)表征。然后，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Grimm和Hillen負責(zé)確定三維結(jié)構(gòu)。

超級顯微鏡提供必要的數(shù)據(jù)

研究人員從近年來對結(jié)構(gòu)分析產(chǎn)生革命性影響的設(shè)備中獲得了數(shù)據(jù)：最新一代的冷凍電子顯微鏡，它們已在JMU和MPI上運行。它具有300,000伏特的電壓，可通過冷卻至負180攝氏度的樣品向電子發(fā)射，從而提供分辨率在原子量級范圍內(nèi)的圖像。顯微鏡使研究生物分子和復(fù)合物以及重建其三維結(jié)構(gòu)成為可能。

在大約六個月的時間里，Grimm和Hillen不得不使用計算機，直到他們從數(shù)TB的數(shù)據(jù)中開發(fā)了聚合酶復(fù)合物的空間模型。格里姆說：“如果沒有我們機構(gòu)的新型冷凍顯微鏡以及這兩個小組之間的出色合作，就不可能如此迅速，如此優(yōu)質(zhì)地進行。” 有了3-D眼鏡，每個人現(xiàn)在都可以在空間上可視化該復(fù)合物，將其任意旋轉(zhuǎn)并將其分解為子單元。

除其他外，新發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在提供了開發(fā)抑制劑和調(diào)節(jié)劑以影響病毒繁殖周期的可能性。由于牛痘菌復(fù)制發(fā)生在細胞質(zhì)中，因此科學(xué)家們還希望它具有治療潛力。當(dāng)前，全世界正在開展研究，其中使用痘苗病毒來對抗癌癥。也參與了這項研究的Genelux公司已經(jīng)在動物實驗和患者中證明了經(jīng)過特殊優(yōu)化的牛痘病毒在縮小腫瘤和檢測最小轉(zhuǎn)移灶方面的潛力。此外，研究人員期望對相關(guān)的非病毒RNA聚合酶復(fù)合物的功能有新的令人興奮的見解。