痘病毒怎么将基因变成蛋白质？

世界范围内最后一例天花病例发生在1977年10月的索马里。1980年，世界卫生组织(WHO)宣布根除天花。根据官方消息，这种病毒今天只存在于俄罗斯和美国的两个高安全实验室中，用于研究目的。

但是，尽管这意味着痘病毒不再是对人类的直接威胁，这个病毒家族仍然引起了科学家的极大兴趣。一方面，修饰菌株被用于治疗癌症，另一方面，它们具有非常有趣的增殖特性。

天花病毒有自己的增殖机

许多病毒主要依靠宿主细胞的生化资源进行增殖，而痘病毒则为此目的在基因组中编码自己的分子机制。这一机制的重要组成部分是两种酶:复制病毒基因的DNA聚合酶和将病毒基因转录成mRNA的RNA聚合酶。例如，牛痘病毒株的RNA聚合酶是一个由15个具有不同生化功能的不同蛋白质亚单位组成的大型复合体。

来自Würzburg大学(JMU)的Julius-Maximilian's University的生物中心的一组研究人员现在首次能够在原子水平上观察牛痘病毒的聚合酶。在此之前，该团队已经报道了RNA聚合酶的原子分辨率的三维结构。负责这项工作的小组由Utz Fischer领导。他们的工作成果已经发表在《Nature Structural & Molecular Biology》杂志上。

原子尺度上的三维结构

“我们将分离出来的RNA聚合酶与含有启动子的DNA片段混合，启动子是病毒基因转录的起始信号。这种酶准确地识别了这种DNA元素，并开始产生mRNA。”负责这项研究的生化工作的Julia Bartuli解释说。在下一步，在生物化学II系Bettina Böttcher的合作下，这些样本在低温电子显微镜下进行了检查。在收集到的数据的基础上，科学家们利用现代计算机方法，能够在原子尺度下重建样品的三维结构。

他们对这个漫长过程的最终结果充满热情。Utz Fischer学院负责结构分析的Clemens Grimm说:“我们在显微镜下检查的一个样本使我们能够重建总共六种不同的聚合酶复合物，我们最终可以将它们分配到转录过程的各个阶段。我们可以像电影一样把单独的图片串在一起，从而以时间分辨率代表早期转录阶段。”（https://youtu.be/9Ij9iFks-NE；https://youtu.be/KpHGoHxsAOA）

天花仍然是人类的威胁

但是，如果这种对人类如此危险的病毒已经被根除，为什么还要费心研究痘病毒呢?这是有充分理由的，Fischer教授回答说:“目前仍然没有可靠的天花感染治疗方法，它只能通过接种疫苗来预防。如果仍然存在的病毒样本再次传播，例如通过恐怖袭击，它们将袭击没有免疫接种的人群。”

生化学家Fischer解释说，另一个可能更真实的威胁是由动物特异性病毒传染给人类引起的人畜共患疾病。例如，猴痘对人类有零星感染，可使受感染的人病情严重。他说:“如果这种人畜共患疾病的速度加快，通过进一步适应其人类宿主和人际传播，一种危险的流行病可能出现。”

利用计算机开发新药

因此，病毒基因表达抑制剂与抗病毒药物高度相关。了解RNA聚合酶在不同状态下的原子结构，使研究人员现在可以采用一种理性的、基于结构的计算机方法来开发这类抑制剂。这样的研究，在方法上与传统的实验程序有根本的不同，已经在顺利进行。

关于天花病毒

天花疫苗接种是现代感染保护最显著的成功之一。它导致了致命的天花病原体的消灭。这种病原体，在科学上被称为天花病毒，是导致天花流行病的原因，天花流行病周期性地折磨着人类，直到20世纪，并夺走了数百万人的生命。

早在古代，人们就已经知道了各种形式的接种，当时人们将治愈后的天花水疱的结痂引入一个小伤口，希望这样可以防止严重的疾病。这种被称为“天花接种”的手术是18世纪在欧洲进行的，就在Würzburg大学的朱利叶斯医院。1976年，英国内科医生爱德华·詹纳(Edward Jenner)在对抗天花的斗争中取得了突破，他用无害的马痘或牛痘病原体取代了危险得多的天花病毒。

詹纳使用的毒株已经在医学史上被命名为牛痘。一场使用牛痘株的全球疫苗接种运动最终导致了世界卫生组织在1980年宣布消灭天花——这是人类历史上第一次在全球范围内战胜了一种传染病。

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Nature Structural & Molecular Biology

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