II型DNA拓撲異構(gòu)酶是一種普遍存在的酶，在調(diào)控雙鏈DNA的拓撲結(jié)構(gòu)中起著關(guān)鍵作用，參與了一系列最基本的DNA代謝過程，包括DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及重組等，并在原核和真核生物中得到了廣泛的研究--它們被分類為IIA型（包括gyrase，topo IV和topo II）和IIB型（topo VI），雖然兩類的結(jié)構(gòu)不同，催化機制卻是相似的--通過切割"G-segment"DNA，使"T-segment"DNA穿過切口從而解決DNA的拓撲結(jié)構(gòu)問題。靶向II型DNA拓撲異構(gòu)酶的多種藥物已作為抗菌（如安吖啶）和抗癌（依托泊苷）的理想策略。然而，對于由病毒編碼的II型DNA拓撲異構(gòu)酶（包括NCLDV家族以及噬菌體等）的研究仍然很有限。一個有趣的例子是非洲豬瘟病毒，它是唯一一種編碼II型DNA拓撲異構(gòu)酶的哺乳動物感染病毒，近年來對世界各地的生豬養(yǎng)殖業(yè)造成了嚴(yán)重危害，至今仍缺少安全有效的上市疫苗與藥物，對其編碼的II型DNA拓撲異構(gòu)酶pP1192R的研究有利于為抗非洲豬瘟藥物開發(fā)提供重要的理論依據(jù)。
2024年5月30日，中國科學(xué)院生物物理研究所饒子和研究組在《Nature Communications》雜志在線發(fā)表了題為"Structural insights into the DNA topoisomerase II of the African swine fever virus"的研究論文，該研究利用多種實驗手段，包括單顆粒冷凍電鏡、X射線晶體學(xué)、生化實驗等首次解析了由非洲豬瘟病毒編碼的全長II型DNA拓撲異構(gòu)酶pP1192R結(jié)合核酸的多構(gòu)象動態(tài)復(fù)合物結(jié)構(gòu)，并驗證了其體外酶活，結(jié)合原子力顯微鏡成像和分子對接，揭示了該蛋白結(jié)合DNA crossover的傾向性以及潛在結(jié)合的小分子藥物抑制劑。該研究闡明了病毒II型DNA拓撲異構(gòu)酶的基本機制，為減輕非洲豬瘟病毒的影響提供了潛在的干預(yù)策略。
首先，該研究獲得了三種不同構(gòu)象的pP1192R蛋白的高分辨結(jié)構(gòu)，展示了該蛋白中心結(jié)構(gòu)域不同的開口方向。接著，研究組通過加入特定的核酸分子，樣品優(yōu)化等，克服了N端ATPase結(jié)構(gòu)域不穩(wěn)定的難題，成功捕獲了結(jié)合線性DNA的全長蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)，值得一提的是，N端的ATPase結(jié)構(gòu)域有不同的取向，暗示了其發(fā)揮功能時的高度動態(tài)變化。捕獲的復(fù)合物結(jié)構(gòu)顯示，DNA雙鏈被顯著彎曲，并使其"B-form"的構(gòu)型局部變成"A-form"。多個保守的結(jié)構(gòu)域均參與了與核酸的相互作用，與apo狀態(tài)的蛋白相比，結(jié)合DNA后，這些結(jié)構(gòu)域發(fā)生了顯著的位移，使活性中心更靠近DNA，為切割DNA做好準(zhǔn)備。
圖：ASFV pP1192R蛋白結(jié)合DNA的全長冷凍電鏡結(jié)構(gòu)和N端ATPase結(jié)構(gòu)域晶體結(jié)構(gòu)
此外，研究組利用原子力顯微鏡成像直接觀察到了該蛋白結(jié)合質(zhì)粒DNA crossover的圖像，證明了這一結(jié)合特性。最后，利用分子對接，研究組dock了兩種不同類型的II型DNA拓撲異構(gòu)酶抑制劑，作為潛在的藥物設(shè)計起點。
綜上所述，該研究通過多種實驗手段較為全面地探究了由病毒編碼的II型DNA拓撲異構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)與功能，完善了病毒領(lǐng)域該酶的具體機制，并提供了潛在的抑制劑設(shè)計策略，為非洲豬瘟疫情的防控奠定理論基礎(chǔ)。
中國科學(xué)院生物物理研究所饒子和院士、李雪梅研究員、陳瑜濤副研究員為論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院生物物理研究所博士生叢靜媛、辛煜輝為論文的共同第一作者。此外，清華大學(xué)博士后康惠玲、王辰龍，生物物理研究所博士生楊蘊格以及哈爾濱獸醫(yī)研究所趙東明研究員也參與了本研究。
該研究得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和國家自然科學(xué)基金委的資助。中國科學(xué)院生物物理研究所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺生物成像中心、中國科學(xué)院過程與工程研究所公共技術(shù)中心分別為冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和原子力顯微鏡成像提供了技術(shù)支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49047-w
（供稿：饒子和研究組） | 
