Cell：新研究揭示病毒DNA聚合酶结构上的新变化可对抗病毒药物产生抗药性

从真菌到哺乳动物，所有生物都有进化和适应环境的能力。但病毒是变形高手，其变异能力超过任何其他生物。因此，它们可以逃避治疗，或对曾经有效的抗病毒药物产生抗药性。

在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院、布莱根妇女医院、布罗德研究所、中国湖北工业大学、上海大学和英国约克大学的研究人员以单纯疱疹病毒（HSV）为对象，揭示了这种病毒产生抗药性的途径之一，毕竟抗药性对于免疫功能受损的人群（包括接受免疫抑制治疗的人群和先天性免疫缺陷人群）来说尤其具有挑战性。

研究者利用一种名为低温电镜（cryo-EM）的复杂成像技术发现，负责病毒复制的蛋白质部分如何移动到不同的位置会改变HSV对药物的敏感性。他们的研究结果回答了长期以来关于为什么某些病毒而不是其他病毒易受抗病毒药物影响以及病毒如何变得不受药物影响的问题。这些结果可能为开发阻止病毒对有效疗法产生抵抗性的新方法提供参考。相关研究结果于2024年8月26日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Viral DNA polymerase structures reveal mechanisms of antiviral drug resistance”。

违反直觉的结果

人们早就知道，病毒与抗病毒药物结合的部位发生的变化会使病毒产生抗药性。然而，这项新的研究惊讶地发现，HSV 的情况往往并非如此。相反，研究者发现，与抗药性有关的蛋白质突变往往出现在远离药物靶点的地方。这些突变涉及改变使病毒进行自我复制的病毒蛋白或酶的运动。这就提出了一种可能性，即使用药物阻断或冻结这些病毒蛋白的构象变化，可能是克服抗药性的一种成功策略。

论文通讯作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所微生物学副教授、布莱根妇女医院传染病专家Jonathan Abraham说，“我们的研究结果表明，我们必须超越靶向典型药物结合位点的思维。这确实有助于我们从新的角度看待抗药性。”

研究者指出，这些新发现推动了人们对病毒蛋白构象的改变，即蛋白质内部不同部分在执行功能时移动方式的改变——如何促进抗药性的理解，并可能与了解针对其他病毒的药物有效性和抗药性有关。

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.07.048

据估计，HSV 影响着全球数十亿人，最常见的是引起唇疱疹和发热水疱，但它也会导致免疫力低下的人出现严重的眼部感染、脑部炎症和肝损伤。此外，HSV 还可在分娩过程中通过产道从母亲传染给婴儿，并导致危及生命的新生儿感染。

抗药性产生的线索源于结构和运动

病毒无法自行复制。为此，病毒必须进入宿主细胞，在那里释放它们的复制工具——称为聚合酶的蛋白质，来复制自身。

这项新的研究集中于这样一种蛋白质——病毒 DNA 聚合酶，它对 HSV 的自我复制和增殖能力至关重要。这类DNA聚合酶的结构通常被比作一只有三个部分的手：手掌、拇指和手指，每个部分都执行着关键的功能。

鉴于这些DNA聚合酶在复制中的作用，它们是旨在阻止病毒自我复制并阻止感染扩散的抗病毒药物的关键靶点。HSV DNA聚合酶是治疗HSV感染的主要抗病毒药物阿昔洛韦（acyclovir）和治疗抗药性感染的二线药物膦甲酸（foscarnet）的靶点。这两种药物都通过靶向病毒聚合酶发挥作用，但作用方式不同。

长期以来，科学家们一直在努力充分理解DNA聚合酶的改变如何使这种病毒不受正常剂量抗病毒药物的影响，以及更广泛地说，为什么阿昔洛韦和膦甲酸对HSV DNA聚合酶的改变形式并不总是有效。

Abraham说，“多年来，来自各种生物的许多DNA聚合酶的结构已被确定，但我们仍不完全清楚是什么原因使某些DNA聚合酶而不是其他DNA聚合酶易受某些药物的影响。我们的研究揭示了DNA聚合酶不同部分的运动方式，即它们的构象动力学，是它们相对易受药物影响的关键因素。”

包括DNA聚合酶在内的蛋白质并不是僵硬不动的物体。相反，它们是灵活的、动态的。它们由氨基酸组成，最初折叠成稳定的三维形状，称为天然构象，这也是它们的基线结构。

但是，由于各种结合力和分散力的作用，蛋白质的不同部分在与其他细胞成分接触时，以及在 pH 值或温度变化等外界影响下，都会发生移动。例如，DNA聚合酶的手指可以像手的手指一样张开和闭合。

构象动力学——蛋白质不同部分的移动能力，使它们能够以有限的成分有效地实现许多基本功能。更好地了解DNA聚合酶的构象动力学是结构与功能之间缺失的一环，包括蛋白质是否对药物有反应，以及是否会产生抗药性。

揭开神秘的面纱

许多结构研究都捕捉到了 DNA 聚合酶的各种不同构象。然而，人们对DNA聚合酶构象动态对抗药性的影响还缺乏详细的了解。为了解开这个谜团，研究者进行了一系列实验，重点研究两种常见的DNA聚合酶构象——一种开放构象和一种封闭构象，以确定每种构象如何影响药物敏感性。

首先，他们利用低温电镜（cryo-EM）进行了结构分析，获得了多种构象的HSV DNA聚合酶原子结构的高分辨率可视化图像，以及与抗病毒药物阿昔洛韦和膦甲酸结合时的结构。这些药物结合结构揭示了这两种药物如何选择性地结合HSV DNA聚合酶，从而使之更容易采用一种构象而不是另一种构象。其中一种药物膦甲酸的作用原理是捕获HSV DNA聚合酶的手指，使其处于所谓的封闭构型。

此外，与计算模拟相配合的结构分析表明，一些远离药物结合位点的突变通过改变负责关闭药物以阻止DNA复制的DNA聚合酶手指的位置来对抗病毒试剂产生抗药性。

这一发现是一个意想不到的转折。迄今为止，科学家们一直认为，DNA聚合酶只有在与 DNA 结合时才会部分闭合，而只有在加入 DNA 构成单元（脱氧核苷酸）时才会完全闭合。但事实证明，HSV DNA聚合酶只需靠近 DNA 就能完全闭合。这使得阿昔洛韦和膦甲酸更容易抓住DNA聚合酶，使其停止工作，从而阻止病毒复制。

论文共同作者、哈佛医学院生物化学与分子药理学教授 Donald Coen 说，“我研究 HSV DNA聚合酶和阿昔洛韦抗药性已有 45 年。当时我认为抗药性突变有助于我们了解DNA聚合酶如何识别药物模拟的天然分子的特征。我很高兴，这项新研究表明我错了，并最终让我们至少明确HSV DNA聚合酶被药物选择性抑制的一种原因。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Sundaresh Shankar et al. Viral DNA polymerase structures reveal mechanisms of antiviral drug resistance. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.07.048.