非洲豬瘟是由非洲豬瘟病毒（ASFV）引起的一種豬的烈性傳染病，致死率高達100%，對全球畜牧業構成了巨大威脅。ASFV基因組中約20%的基因編碼與mRNA轉錄和修飾相關的蛋白，這種獨特的轉錄機制使ASFV能夠在宿主細胞內獨立進行基因表達的精確調控。由於缺乏天然的RNA聚合酶複合物機器的結構學資訊，ASFV轉錄機制的具體生物過程、組裝和調控機制一直尚未清楚。
本項研究中，來自中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所和中國科學院生物物理研究所的科研人員從ASFV感染的豬巨噬細胞中成功分離並解析了病毒RNA聚合酶（vRNAP）的高解析度冷凍電鏡結構，包括聚合酶與內源DNA的複合體結構，以及聚合酶與病毒蛋白M1249L的複合體結構。透過與其他物種聚合酶複合物的結構比較和功能分析，研究人員發現M1249L不僅參與病毒衣殼的組裝，還參與vRNAP的構成和轉錄調控。這些發現為深入理解非洲豬瘟的致病機制提供了新的視角，併為制定有效的預防和控制策略奠定了科學基礎。
ASFV是已知的唯一大DNA蟲媒病毒，與牛痘病毒（VACV）一同被歸類為核胞質大DNA病毒（NCLDV）。NCLDVs編碼的病毒vRNAP在功能和特異性上與真核生物相似，使它們能在細胞質中進行轉錄。生物資訊學分析顯示，ASFV同樣編碼8個RNA聚合酶亞基以及與真核生物同源的轉錄因子。然而，由於ASFV的高致病性，關於其基因轉錄和轉錄加工酶在病毒組裝過程中的實驗資料十分有限。本研究利用天然提取的方法，獲得了感染狀態下ASFV vRNAP的天然構象，並發現了參與病毒轉錄複合體形成的多功能蛋白M1249L。透過熒光素酶報告系統驗證了M1249L的功能，發現其能顯著增加vRNAP活性並具有劑量依賴性。此外，研究人員還從冷凍電鏡樣品資料中，重構出M1249L與vRNAP結合的多種狀態，揭示了其在感染過程中的豐富動態性。
圖1 ：非洲豬瘟病毒天然RNA聚合酶與M1249L蛋白複合物的冷凍電鏡結構
ASFV編碼的病毒特異性轉錄因子和宿主同源轉錄因子，表明ASFV具有獨立於宿主的轉錄系統，使其能在不同宿主（家豬、疣豬等）和中間宿主（軟蜱蟲）中存活。研究團隊在病毒感染後不同時間節點獲得的vRNAP中均未發現其他轉錄因子的結合，推斷M1249L可能作為感染早期的臨時轉錄因子，幫助病毒基因啟動子的結合和轉錄。在此過程中，M1249L的不同結構域在一定程度上發揮了多個轉錄因子的作用。基於結構的研究分析還表明，M1249L的C末端結構域很可能是vRNAP啟用/失活狀態的轉換開關。結合ASFV RNA聚合酶和M1249L蛋白複合物的結構解析和動力學分析，研究團隊提出了在病毒整個生命週期中控制病毒基因轉錄的動態催化調節機制模型。這些研究結果不僅揭示了天然狀態下ASFV vRNAP的結構特徵，還發現了M1249L蛋白在病毒組裝與轉錄中的雙重功能，為未來ASFV的控制和治療提供了新思路。
圖2 ：非洲豬瘟病毒生命週期中的基因轉錄調控模型
趙東明研究員、王男副研究員、馮孝瑩博士研究生和張振江博士後為文章的第一作者，王祥喜研究員、陳瑜濤副研究員、步志高研究員、饒子和院士為文章的通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃專案、中科院專案、國家自然科學基金專案、農科院專案等資助。
文章連結：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54461-1
本期編輯：ChemLT
