水痘带状疱疹病毒衣壳冷冻电镜结构
水痘带状疱疹病毒（Varicella-zoster virus，VZV）俗称“缠腰蛇”，广泛存在于自然界中。人感染后皮肤表面会出现成群的红斑水疱，严重时会发生坏死溃疡，并能引发诸如肺炎、脑炎和一些免疫系统疾病，导致全球每年约3万人死亡。VZV具有独特的潜伏再激活机制，感染后病毒长期潜伏于脊髓神经元内，在一定条件下，会恢复活性重新增殖，使得感染引发的疾病很难痊愈，患者也会终生携带病毒。
VZV属于α疱疹病毒家族，是直径为150~200 nm 的双链DNA囊膜病毒。从外到内分别由表面囊膜，蛋白质中间层，衣壳及基因组四层组成。衣壳直径约为125 nm，具有多种组装状态，至少包括A、B、C三种类型，均为非标准正二十面体。A型内部不包含其他蛋白及病毒基因组；B型内部包含支架蛋白；C型内部包含病毒基因组。衣壳不仅能保护基因组，而且在病毒组装、成熟、侵染过程中发挥关键作用。
疱疹病毒衣壳结构极为复杂，直径是寨卡病毒(ZIKV)的2.5倍，甲肝病毒(HAV)的4倍,内含上千个蛋白亚基，是结构生物学领域的难点之一。虽然不同疱疹病毒结构相似，但局部结构存在明显差异。解析VZV病毒粒子的原子结构和了解其组装机制将为研发特异或广谱的抗疱疹病毒药物提供重要依据。
2020年9月22日，南方科技大学冷冻电镜中心王培毅教授团队，联合中科院微生物研究所和武汉病毒所、山西高等创新研究院以及中国国际医药卫生有限公司等单位，在国际著名期刊Nature Communications上发表题为 “Cryo-EM structure of the varicella-zoster virus A-capsid ”的研究论文, 研究团队利用冷冻电镜技术解析了VZV病毒衣壳3.7 Å分辨率的精细三维结构并分析了病毒衣壳组装的分子机制，对药物研发和病毒防控具有重要指导作用。
图1 水痘-带状疱疹病毒(vzv) A型衣壳整体结构
VZV衣壳主要包括四种蛋白成分，分别为主要衣壳蛋白（MCP）、次要衣壳蛋白（SCP），以及构成异源三聚体的Tri1和Tri2蛋白。各种蛋白组分按照T=16的二十面体对称进行排列, 每个不对称单位（ASU）包含16个MCP, 15个SCP和5 组异源三聚体（Ta-Te）。MCP聚集形成五邻体（Penton）和六邻体（Hexon），分别位于五次轴顶点和二十面体平面上。根据Hexon位置不同分为peripentonal (P), edge (E), and center (C) 三种类型。Penton中五个MCP拷贝间隙较大，因而稳定性相对较低；而Hexon中六个MCP组成更加紧密，并且有顶部的六个SCP相互交联，进一步增强了Hexon的稳定性。与其他已知人类疱疹病毒结构相比，VZV衣壳在Penton和P-Hexon界面上结构稳定性低于其他病毒衣壳，这可能与其基因组较小有关，因而衣壳所承受的压力相对较小。这一发现与美国加州大学周正洪团队同期发表的结果相一致1。
通过比较不同α、β、γ疱疹病毒结构，研究人员发现SCP的C末端和Tri1亚基的局部结构在不同家族的疱疹病毒中具有明显多样性。此前研究发现，VZV具有一种独特的依赖SCP进行MCP入核转运的组装机制，这一过程便是通过SCP的C末端核定位信号来完成的2。因此，SCP和Tri 1可作为潜在的特异性抗病毒药物靶点, 通过干扰病毒蛋白转运以及不同亚基间的相互作用来抑制衣壳组装。有研究报道，一种吡唑衍生物35B2能够与VZV衣壳蛋白结合来阻断病毒衣壳组装3。基于此结构和逃逸突变位点分析，研究人员发现在MCP底座下方有一个“口袋”结构可能是35B2的结合位点。该“口袋”也暗示着一个潜在的特异性抗VZV药物靶点。
图2 比较不同疱疹病毒衣壳组装的相互作用界面
总结，该研究通过冷冻电镜技术解析了VZV病毒衣壳3.7 Å的近原子分辨率结构，分析了病毒组装的分子机制以及潜在的抗病毒靶点，为研发特异或广谱的抗疱疹病毒药物提供重要依据。
南方科技大学冷冻电镜中心王培毅教授，中科院微生物所齐建勋研究员，中科院武汉病毒所罗敏华研究员，中国国际医药卫生有限公司杨晓明教授为本文共同通讯作者。山西高等创新研究院孙俊清，南方科技大学冷冻电镜中心刘聪聪博士后，中科院微生物所彭如超助理研究员，长春祈健生物制品有限公司张夫坤博士和中科院微生物所仝舟副研究员为本文共同第一作者。中科院微生物所刘升博士、赵振楠博士等也参与了相关工作。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18537-y
参考文献
1.Wang, W., Zheng, Q., Pan, D. et al. Near-atomic cryo-electron microscopy structures of varicella-zoster virus capsids. Nat Microbiol (2020). https://doi.org/10.1038/s41564-020-0785-y
2. Chaudhuri, V., Sommer, M., Rajamani, J., Zerboni, L. & Arvin, A.M. Functions of Varicella-zoster virus ORF23 capsid protein in viral replication and the pathogenesis of skin infection. J. Virol. 82, 10231-46 (2008).
3. Inoue, N. et al. Identification of a varicella-zoster virus replication inhibitor that blocks capsid assembly by interacting with the floor domain of the major capsid protein. J. Virol. 86, 12198-12207 (2012).
