普林斯顿大学的研究人员通过解开其棘手的结构找到了治疗Hep E的途径

病毒对个人健康和公民生活造成的破坏与其规模完全不成比例。这么小的东西——一团蛋白质和核酸——怎么会具有如此大的破坏力呢?

在2 月 28 日发表在eLife杂志上的一篇论文中，由普林斯顿大学的亚历山大·普洛斯 ( Alexander Ploss )领导的一组研究人员解决了关于戊型肝炎 (Hep E) 中一种关键蛋白质的争论，这可能为开发一种微小病毒的治疗方法开辟道路对全球公共卫生的巨大威胁。

在他们的论文中，研究人员提出了一种新模型，该模型详细说明了 Hep E 蛋白的结构和功能。

“戊型肝炎是一种知之甚少的 RNA 病毒，每年造成约 300 万例有症状的感染和约 70,000 例死亡，”普林斯顿大学分子生物学系教授普洛斯说。

戊型肝炎通常通过粪便污染水、食物或表面传播，因此病毒性疾病在卫生条件差的地区更为常见。然而，当人们食用骆驼或猪肉等受污染的食物时，在卫生条件良好的地方也会爆发疫情。感染者可能会发烧、恶心和黄疸;尽管大多数人会在两到八周内康复，但感染也可能变成慢性。在某些情况下，这是致命的。

“令人遗憾的是，许多死亡事件发生在怀孕晚期的孕妇及其未出生的孩子以及免疫功能低下的人群中，”Ploss 说。

目前，只有中国获得了预防乙肝感染的疫苗许可，一旦感染，尚无药物可用于治疗该病。乙肝造成的损害更加显着，因为病毒非常小;它的基因组长约 7,200 个核苷酸，包含仅制造三种蛋白质的说明。

“人们对最大的戊型肝炎蛋白(称为开放阅读框 1 - ORF1)的结构和功能知之甚少，”Ploss 说。

ORF1 是一种多功能蛋白，其作用是复制病毒的遗传物质，以掺入新的病毒颗粒中。沿着它的长度，它包含几个不同的区域，每个区域都有不同的功能。许多这些区域已经被表征，但 ORF1 的大小和复杂性使得蛋白质很难研究，以至于直到现在，研究人员仍然不了解它的一个区域是如何工作的。

“我们的工作旨在破译 ORF1 的特定区域如何发挥作用，因为目前该领域对此话题存在争论，”2022 年博士 Robert LeDesma 说。研究生和该研究的第一作者，他在 Ploss 实验室作为研究生进行了研究。

争论围绕着 ORF1 的这一部分可能作为蛋白酶(即切割其他蛋白质的蛋白质)的想法展开。许多病毒在其基因组中编码一种蛋白酶，要么将病毒蛋白加工成活性形式，要么关闭可以抵抗感染的宿主蛋白。然而，当他们最初的实验不支持该区域具有蛋白酶活性的观点时，普林斯顿团队不得不考虑其他假设。

他们正在研究的区域的一个显着特征是存在一种模式或基序，其中包含八个氨基酸半胱氨酸实例。这个基序出现在迄今为止研究的每个 Hep E 基因组中，这表明它对 ORF1 非常重要。事实上，普林斯顿团队发现，如果六个半胱氨酸的中心核心中的任何一个被改变为不同的氨基酸，ORF1 将无法再帮助 Hep E 复制。

为了寻找关于这个神秘区域可能做什么的线索，研究人员在蛋白质数据库中搜索了包含相同基序但功能已知的其他蛋白质。仅包含六个半胱氨酸的较短版本的基序存在于结合金属离子(如镁或锌)的蛋白质中，以帮助稳定其三维形状。LeDesma 及其同事推断，如果包含 ORF1 富含半胱氨酸基序的区域具有相似的功能，那么它的 3D 形状应该类似于那些其他蛋白质中的金属结合区域。

其他研究团队尝试使用 NMR 光谱学和 X 射线晶体学等方法确定 ORF1 这部分的 3D 形状，但未能成功，因为这部分蛋白质非常无序，倾向于呈现各种随机形状，而不是单一刚性的。因此，普林斯顿大学的研究人员转而使用一种名为 AlphaFold 的计算算法来预测该区域的 3D 形状。AlphaFold 预测 ORF1 包含一种新版本的金属结合蛋白共有的特征，称为“锌指”，需要与金属离子相互作用。随后的实验表明，结合金属离子的能力对于 ORF1 在病毒复制中发挥其功能至关重要。

“我们发现 ORF1 的行为就像一个分子支架;它与细胞内的金属离子结合，以呈现一种非常特殊的形状，使其能够正常发挥作用，”LeDesma 说。

换句话说，数据表明 ORF1 的这个区域不作为蛋白酶起作用，而是在结构上支持蛋白质的其余部分。随着对 ORF1 的更清晰了解，科学家们现在可以更好地开始攻击它。

“我们的工作提供了 ORF1 结构和功能的综合模型，可以想象它可以为这种未被充分研究的人类病毒病原体的新疗法的开发做出贡献，”Ploss 说。

“由戊型肝炎病毒 ORF1 中的二价阳离子配位稳定的结构特征对病毒复制至关重要，”作者 Robert LeDesma、Brigitte Heller、Abhishek Biswas、Stephanie Maya、Stefania Gili、John Higgins 和 Alexander Ploss发表在 eLife 的最新一期中(DOI : 10.5574/eLife.80529 )。该研究得到了支持美国国立卫生研究院(R01 AI138797、R01 AI107301、R01 AI146917、R01 AI153236);Burroughs Wellcome Fund Award for Investigators in Pathogenesis (#101539);普林斯顿大学; 美国国立卫生研究院国立普通医学研究所 (T32GM007388);国家科学基金会研究生研究奖学金(DGE-2039656);分子生物学流式细胞仪资源设施，由新泽西癌症研究所癌症中心支持基金( P30CA072720) 提供部分支持。