解開75年來的難題 長絲狀彎曲病毒的立體結構

【本刊訊】由中研院植物暨微生物學研究所林納生特聘研究員、國立中興大學生物科技學研究所徐堯煇特聘教授及美國維琴尼亞大學艾吉曼教授 (Dr. Edward H. Egelman)所共同領導的研究團隊,日前以臺灣特有的竹嵌紋病毒為研究材料,首度成功解開長絲狀彎曲病毒的3D立體結構模型,而且解析度達到近似原子等級,一舉突破75年來植物病毒學家研究的限制。國際期刊《自然結構與分子生物學》(Nature Structural and Molecular Biology)於2015年7月13日刊登這篇重要的研究成果。

研究團隊表示, 長形病毒大致可分成桿狀病毒與長絲狀彎曲病毒兩種。其中桿狀病毒的代表為「菸草嵌紋病毒」,是第一個被學界解構的病毒,由於它呈現直桿形狀,互相排列整齊很容易形成液態結晶體,早在1936年學術界就獲得此病毒顆粒之液態結晶體。隨著X光晶體繞射技術的精進,目前已可獲得2.9 Å(埃米,10-1奈米)解析度的結構模型。相反的,長絲狀彎曲病毒雖自1941年就陸續嘗試結構研究,卻因為它的彎曲形狀無法整齊排列成液態結晶體,外鞘蛋白也很難長成晶體,所以極難建立出它的結構。

這次的研究使用臺灣本土性的材料竹嵌紋病毒(Bamboo mosaic virus, BaMV)來突破困難。此病毒屬於單股正鏈RNA病毒,結構為長形彎曲狀,它的自然宿主是竹子,已知還會感染其他至少12種的植物。受感染的竹葉葉脈上,會有鑲嵌狀的褪色斑紋;令竹子不易開花、開花即枯死。

研究團隊運用冷凍電子顯微鏡,結合最新發展的「直接電子偵測器(Direct electron detector)」以獲得高解析度的影像,再以艾吉曼教授所開發的「螺旋立體結構重組軟體(IHRSR)」解得竹嵌紋病毒的3D立體結構。研究團隊首先以同一屬的「木瓜嵌紋病毒(Papaya mosaic virus, PapMV)」的局部外鞘蛋白質次單元(不含N端和C端)的立體結構模型套入,獲得竹嵌紋病毒初步的蛋白質結構模型後,再利用「Rosetta蛋白質結構模擬軟體」結合本研究新開發的「列舉式骨幹取樣法(enumerative backbone sampling protocol)」,依照外鞘蛋白質的胺基酸序列,建構竹嵌紋病毒的近似原子級之立體蛋白質結構模型(包括N端和C端),最後將病毒基因體RNA以電腦程式模擬「裂谷熱病毒(Rift Valley fever virus, RVFV)」的RNA,再套入竹嵌紋病毒的立體密度影像,終於得到75年來第一個長絲狀彎曲植物病毒接近原子級的5.6 Å的立體結構模型。

林納生博士表示,研究團隊發現竹嵌紋病毒外鞘蛋白質次單元的左旋排列與菸草嵌紋病毒的右旋排列不同;相對於菸草嵌紋病毒的緊密排列,竹嵌紋病毒外鞘蛋白質排列疏鬆,且N端與C端分別暴露於病毒的外圍表面與內部核心處。這個結構解開了長久以來令學界十分困惑的謎題:長絲狀病毒如何在不同的彎曲程度下,仍然保有病毒顆粒結構的穩定性。

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