病毒拓扑异构酶结构特征与酶活性调控机制研究获进展

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。

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）