II型DNA拓撲異構酶是一種普遍存在的酶，在調控雙鏈DNA的拓撲結構中起著關鍵作用，參與了一系列最基本的DNA代謝過程，包括DNA復制、轉錄及重組等，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），雖然兩類的結構不同，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的拓撲結構問題。靶向II型DNA拓撲異構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拓撲異構酶的哺乳動物感染病毒，近年來對世界各地的生豬養殖業造成了嚴重危害，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拓撲異構酶pP1192R的研究有利于為抗非洲豬瘟藥物開發提供重要的理論依據。
2024年5月30日，中國科學院生物物理研究所饒子和研究組在《Nature Communications》雜志在線發表了題為"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、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拓撲異構酶pP1192R結合核酸的多構象動態復合物結構，并驗證了其體外酶活，結合原子力顯微鏡成像和分子對接，揭示了該蛋白結合DNA crossover的傾向性以及潛在結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策略。
首先，該研究獲得了三種不同構象的pP1192R蛋白的高分辨結構，展示了該蛋白中心結構域不同的開口方向。接著，研究組通過加入特定的核酸分子，樣品優化等，克服了N端ATPase結構域不穩定的難題，成功捕獲了結合線性DNA的全長蛋白復合物結構，值得一提的是，N端的ATPase結構域有不同的取向，暗示了其發揮功能時的高度動態變化。捕獲的復合物結構顯示，DNA雙鏈被顯著彎曲，并使其"B-form"的構型局部變成"A-form"。多個保守的結構域均參與了與核酸的相互作用，與apo狀態的蛋白相比，結合DNA后，這些結構域發生了顯著的位移，使活性中心更靠近DNA，為切割DNA做好準備。
圖：ASFV pP1192R蛋白結合DNA的全長冷凍電鏡結構和N端ATPase結構域晶體結構
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合質粒DNA crossover的圖像，證明了這一結合特性。最后，利用分子對接，研究組dock了兩種不同類型的II型DNA拓撲異構酶抑制劑，作為潛在的藥物設計起點。
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拓撲異構酶的結構與功能，完善了病毒領域該酶的具體機制，并提供了潛在的抑制劑設計策略，為非洲豬瘟疫情的防控奠定理論基礎。
中國科學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院戰略性先導科技專項和國家自然科學基金委的資助。中國科學院生物物理研究所蛋白質科學研究平臺生物成像中心、中國科學院過程與工程研究所公共技術中心分別為冷凍電鏡數據收集和原子力顯微鏡成像提供了技術支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49047-w
（供稿：饒子和研究組） | 
