【文献阅读】流感病毒结构生物学方面的最新研究

流行性感冒（流感）是由流感病毒引起的全球严重传染性病。在人类历史上，发生过几次由流感病毒引起的公共卫生安全问题，1918年的西班牙流感（H1N1）、1957年的亚洲流感（H2N2）、1968年的中国香港流感（H3N2）、1977年的苏联流感（H1N1）及2009年的甲型流感（H1N1），每次流感的暴发都给社会经济和人类健康造成了巨大的损害。

流感病毒属于正粘病毒科、流感病毒属，是一种单股负链RNA病毒，一般由8个长短不一的RNA节段组成，主要编码聚合酶亚基PB1、聚合酶亚基PB2、聚合酶亚基PA、血凝素蛋白HA、核衣壳蛋白NP、神经氨酸酶NA、基质蛋白M1和M2，以及非结构蛋白NS1和NS2。其中，流感病毒RNA聚合酶是由PA、PB1和PB2组成。PA可以结合PB1，其N端具有核酸内切酶的活性；PB1能与病毒RNA结合，具有RNA 聚合酶活性；P2具有 RNA 聚合酶活性，能与PB1结合，并能识别宿主细胞 mRNA 5'端的帽状结构。由RNA聚合酶、NP蛋白和vRNA就构成了流感病毒的vRNP。流感病毒蛋白质的合成是依赖于宿主细胞的翻译体系，同时病毒mRNA的转录是通过一种cap-snatching的过程发生的。为了揭开流感病毒mRNA在宿主细胞中复制的面纱，结构生物学的研究起着举足轻重的作用。

2004年，Juan Ortín和Jaime MartínBenito在PNAS上解析了流感病毒聚合酶的3D模型，但因其分辨率只有23 Å而不能观测到亚基间的联系情况（图1）。

图1 流感病毒聚合酶3D模型

在此期间，科学家们只能通过解析vRNP亚基间的互作结构，从近原子水平上去窥探流感病毒。2006年，Ye et al在Nature上刊文，解析了分辨率为3.2 Å的NP蛋白的结构，并且观测到NP蛋白是以三具聚体的形式存在。同时，2008年nature上发表了PA+PB1的异源二聚体结构、2009年EMBO J上发表了PB1+PB2的异源二聚体结构。（图2）

图2 流感病毒聚合酶亚基的结构模型

2012年，Juan Ortín和Jaime MartínBenito再发巨作，在Science上刊登“The Structure of Native Influenza Virion Ribonucleoproteins”，用低温电子层析和亚体积平均法测定了病毒内RNPs的结构，可观察到单个RNPs；利用螺旋轴的坐标和方向将最终体积放回冰冻层析成像中，验证RNPs各组分在束中的紧密相互作用（图3）。

图3 完整流感病毒内vRNP的3D结构模型

为了进一步了解流感病毒mRNA的转录过程，法国欧洲分子生物学实验室的Stephen Cusack研究团队以Article的形式背靠背在Nature上发表题为“Structure of influenza A polymerase bound to the viral RNA promoter”和“Structural insight into cap-snatching and RNA synthesis by influenza polymerase”，分别解析了蝙蝠甲性流感病毒和人源乙型流感病毒的聚合酶结构，并能够在原子水平层面解释了cap-snatching机制。（图4）

图4 蝙蝠甲性流感病毒和人源乙型流感病毒的结构模型

尽管如此，科学家所关心的人源甲型流感病毒的结构依然没有得到解决。2019年，牛津大学的Ervin Fodor团队解析了分辨率为3.32 Å的人源H3N2的Apo结构，并发现其是一种二聚体的形式存在（图5）。

图5 人源H3N2流感病毒的结构模型

对于流感病毒结构生物学最新研究，依然来自于Stephen Cusack研究团队。2020年4月17日，该研究团队在Cell上在线发表题为“A Structure-Based Model for the Complete Transcription Cycle of Influenza Polymerase”的文章，基于转录活跃的蝙蝠甲型流感（FluA）聚合酶的高分辨率冷冻电镜结构，提出了流感聚合酶合成mRNA的整个转录周期的详细机制模型，该结构涵盖了从转录起始前到延伸和终止的整个转录周期，以及产物分离和模板再循环利用。（图6）

图6 流感病毒RNA聚合酶转录周期的结构

尽管在研究流感病毒结构的过程中，遇到了重重阻碍，但是随着技术的改革，科学家们已经从晶体学时代步入到电镜时代，结构分辨率的提高、复合物结构的复杂性提高，一定会深入揭开流感病毒致病机理的面纱。