人巨细胞病毒（human cytomegalovirus，HCMV）属于疱疹病毒科β亚家族，是一种在人类中广泛传播的双链DNA包膜病毒。HCMV感染可导致先天性出生缺陷，会给免疫能力低下的人群带来致命的危害。病毒衣壳的装配是感染性HCMV形成的关键步骤，也是HCMV新型药物开发的重要可靶向环节。HCMV骨架蛋白scaffold与基因组进出通道portal相互作用形成的复合物被认为是衣壳装配的启动元件，该元件通过介导主要衣壳蛋白（Major capsid protein, MCP）相互靠拢与互作以完成病毒原衣壳的组装。在病毒衣壳成熟过程中，与衣壳蛋白结合的scaffold会适时脱离并排出衣壳，同时病毒基因组通过portal进入衣壳形成成熟的病毒核衣壳。以上两个事件之间高度协调，是成熟衣壳产生的标志性事件。然而，HCMV衣壳组装起始scaffold复合物如何形成以及scaffold如何介导并调控衣壳装配等科学问题尚未阐明。
近日，国科大杭州高等研究院药物科学与技术学院罗成教授工作室李智海副研究员及上海药物所余学奎研究员利用冷冻电镜技术解析了HCMV两种衣壳组装过程中间产物（未启动基因组包装的scaffold天然载体—B型衣壳（pre-packaging）和未成功包装基因组的空心衣壳—A型衣壳（post-release））的portal和非对称衣壳高分辨率结构，发现了scaffold分别与portal和MCP的关键互作细节和基因组包装过程中portal动态结构信息，从而为深入理解scaffold介导的病毒衣壳组装调控机制和基因组包装动态机制奠定重要基础。相关研究成果以“Cryo-electron microscopy structures of capsids and in situ portals of DNA-devoid capsids of human cytomegalovirus”为题，在线发表于Nature Communications杂志（杭高院为第一署名单位）。
在这项研究中，研究人员通过优化基于细胞核内病毒分离的HCMV制备技术，有效富集并获得高质量的、代表组装过程不同状态的B型衣壳和A型衣壳。利用冷冻电镜技术，研究人员解析出两种衣壳形式portal与衣壳的高分辨率原位结构。结果表明，pre-packaging和post-release portal在衣壳中的空间位置和局部构象均与基因组包装完成态（packaged）portal均存在显著差异，进一步研究人员从分子水平描绘了基因组包装过程portal的结构变化，为疱疹病毒基因组包装“head-full”动态调控机制提供了新的结构证据。在此基础上，研究人员对A型和B型衣壳进行结构比较，发现scaffold规律性地结合于MCP的dimerization域和Johnson-fold域形成的疏水表面，并首次在B型衣壳中找到了与portal结合的scaffold蛋白密度，其呈现出“loop-helix-loop”的结构特征，能够稳定结合于portal下方crown域的疏水口袋中。进一步地分析发现，该结合口袋在packaged portal中被关闭，提示该部分scaffold片段对于启动portal介导的基因组包装是必需的，该结合位点也为靶向衣壳组装过程的抗HCMV药物研发提供了有潜力的干预新位点。
国科大杭高院药学院李智海副研究员、上海药物研究所硕士生庞晶晶（现为上海交通大学博士研究生）为本论文的共同第一作者，中国科学院上海药物研究所余学奎研究员为本论文的通讯作者。此项工作获得了上海药物研究所冷冻电镜研究中心的大力支持。该项目获得了国家重点研发计划、临港实验室项目、上海市自然科学基金、浙江自然科学基金与国科大杭州高等研究院专项资金资助。
a，HCMV B型衣壳冷冻电镜结构；b，HCMV A型衣壳冷冻电镜结构；c，HCM组装过程不同状态portal顶点原位结构比较
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37779-0
国科大杭高院药学院