武汉病毒所在病毒拓扑异构酶结构特征与酶活性调控机制研究中获进展

近日，中国科学院武汉病毒研究所/抗病毒研究中心邓增钦团队完成的题为Structure-function analysis of the ATPase domain of African swine fever virus topoisomerase的最新研究成果，在线发表在mBio上。

DNA拓扑异构酶广泛存在于古菌、原核生物、真核生物和一些核质大DNA病毒中，在基因复制、转录、重组和染色体分离过程中发挥着重要作用。DNA拓扑异构酶是多种抗肿瘤药物和抗菌药物的靶标。II型拓扑异构酶利用水解ATP产生的能量催化DNA双链的断裂和结合，从而调控DNA的拓扑状态。尽管氨基酸序列同源性较低，但几乎所有的II型拓扑异构酶均具有两个保守的功能域——位于蛋白N端的ATPase结构域以及紧随其后的DNA结合与切割结构域。研究表明，II型拓扑异构酶可以通过结构域间的变构调节控制多个催化步骤，包括DNA结合、ATP水解和DNA链传递过程。然而，结构域之间的分子偶联机制尚不清楚。

非洲猪瘟病毒（ASFV）是高致病性病原体，可引起非洲猪瘟（ASF），且病死率高。目前尚无针对非洲猪瘟的有效疫苗或特异性治疗药物。ASFV特异性编码II型拓扑异构酶，在病毒基因组复制和转录过程中发挥关键作用，是抗ASF的良好药物靶标。前期，邓增钦团队首次解析了两种不同功能状态下的ASFV拓扑异构酶冷冻电镜结构，揭示了其独特的结构特征，提升了关于病毒拓扑异构酶结构和功能的认知。然而，或是由于ASFV拓扑异构酶结构域之间的连接区域柔性较大，其ATPase结构域在冷冻电镜结构中未得到解析。

近期，该团队利用X-ray晶体学技术解析了ASFV拓扑异构酶ATPase结构域与AMPPNP复合物的高分辨率晶体结构，揭示了三个特征性结构区域——由ATP-lid、QTK-loop和a9螺旋组成的分子内界面，可能参与DNA结合的K-loop环以及位于ATPase结构域顶端的触角样a螺旋对。以上三个区域内关键氨基酸的突变降低了基础和DNA刺激的ATPase活性，并抑制了拓扑异构酶全酶的松弛负超螺旋DNA的活性，表明这些特征性结构对拓扑异构酶活性的维持颇为重要。结果显示，三个区域的突变对ATPase活性和全酶的松弛活性产生了平行的影响。这表明II型拓扑异构酶的ATP水解、DNA结合和链传递过程是高度偶联的，并由结构域之间的协同互作共同完成。上述成果加深了科学家对II型拓扑异构酶酶活性调控机制的理解，并为靶向ATPase结构域的ASFV抗病毒药物研究奠定了结构基础。

研究工作得到国家自然科学基金、武汉市知识创新专项基础研究项目、湖北省自然科学基金以及中国科学院的支持。

论文链接

ASFV拓扑异构酶ATPase结构域的晶体结构（左图）与全长蛋白的冷冻电镜结构（右图）