索戈托病毒基质蛋白及布尼亚病毒核蛋白的结构生物学研究

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目的:(1)正黏液病毒的基质蛋白(matrix, M)在病毒生命周期的每个阶段都发挥重要作用,尤其是病毒的组装与脱壳过程。根据流感病毒基质蛋白结构和功能的相关研究,得出了细胞内环境pH值变化影响基质蛋白构象转变,从而完成基质层聚合和解离的分子机制。为了进一步在索戈托病毒(Thogoto virus, THOV)中验证此机制,本文尝试通过结构生物学的研究方法,即获得索戈托病毒基质蛋白的晶体并解析其结构,进而研究其发挥功能的分子结构基础。(2)布尼亚病毒的核蛋白(nucleoprotein, NP)会全程结合并保护病毒基因组RNA,并组装成核糖核蛋白复合体(ribonucleoproteins, RNPs)结构作为转录和复制的模板。目前已有多个布尼亚病毒核蛋白的晶体结构被解析,本文中核蛋白却未有晶体结构被报道。为了确定核蛋白组装成RNPs的分子机制,本文尝试开展布尼亚病毒科其中一个核蛋白的结构生物学研究,获得其形成寡聚体和结合RNA的重要氨基酸位点。方法:(1)首先利用分子克隆技术将THOV基质蛋白基因组片段连接到表达载体pGEX-6P-1上;然后在大肠杆菌表达体系中进行GST标签融合蛋白表达,并对外源表达的重组蛋白进行纯化;将获得的高浓度高纯度蛋白进行晶体筛选和优化;之后对获得的基质蛋白N端结构域高质量晶体进行X-射线衍射数据的收集及处理;最后对THOV基质蛋白晶体结构进行确定及分析,并辅以生化试验验证。(2)首先利用分子克隆技术将布尼亚病毒NP基因组片段连接到表达载体pRSFDuet-1上;后在原核大肠杆菌表达体系中进行HIS标签融合蛋白表达,并将重组蛋白进行纯化;将获得的浓度及纯度足够的NP蛋白进行晶体筛选和优化;然后对NP蛋白晶体进行X-射线衍射数据收集及处理,并进行结构确定;最后对获得的结构进行分子间相互作用及蛋白表面电荷等分析。结果:(1)解析了THOV基质蛋白N端结构域(MN)在中性和酸性条件下的两种晶体结构;THOV与流感病毒的基质蛋白N端具有结构同源性,都是由9个helix组成2个4-helix-bundle结构;THOV基质蛋白全长和N端在体外溶液状态下都具有聚合倾向,能够形成二体及更高程度寡聚体;中性和酸性条件的MN晶体中均可以观察到一个不对称单位中含有两个分子,即由晶体堆积形成的二体,中性MN二体的相互作用面由分子的两个loop维持,酸性MN二体的相互作用面涉及到四个loop和两个helix,单分子间的相互作用是MN在体外能够形成寡聚体的结构基础;将不同pH条件下结构进行比对,发现THOV MN的单体和二体都具有构象差异,单体构象主要差异为两个loop,这些结构元件恰好参与形成二体作用面的形成,导致二体构象不同;MN硒代晶体的生长条件为偏中性,所以其单体构象处于酸性和中性条件构象的中间转换态,并形成更类似于中性条件的二体构象。(2)获得了布尼亚病毒科一个核蛋白NP的蛋白质晶体并解析了其晶体结构;纯化过程中,重组的NP蛋白具有结合宿主RNA核酸和形成寡聚体的特征;此NP的单体结构由N-arm, N-lobe, C-lobe和C-tail四个结构域组成,与正布尼亚病毒属NP结构类似;晶体中的NP以三聚体为主要状态,形成ring状的三元环结构,紧密的NP三体可能是其组装成RNPs的基本单元;NP分子形成三体的结构基础是N-arm和C-tail分别与两侧相邻分子的N-lobe和C-lobe发生疏水性相互作用,形成紧密的疏水核心;对NP单体分子的表面疏水性进行分析,发现明显的疏水区域及疏水性氨基酸,是形成三体间相互作用的结构基础;对NP单体及三体的表面电荷分析,单体N-lobe和C-lobe间会形成富含正电荷的狭缝,三体中这些狭缝连接起来形成位于内径的狭长的正电荷通道,推测其为基因组RNA的结合位点;通过与布尼亚病毒科其它NP的晶体结构比对,发现布尼亚病毒科NP在整体结构、聚合状态和RNA结合方式上具有保守性及差异性。结论:(1)通过对THOVMN蛋白酸性、中性及过渡状态条件的晶体结构分析,发现单体及二体结构的构象转变,且主要由两个可变的loop L3和L5构象变化引起,即THOV的基质蛋白也具有pH依赖的构象及聚合状态改变的特性。推测pH依赖的构象转变是病毒组装和脱壳的结构基础。(2)通过对布尼亚病毒NP蛋白单体及三体结构的分析,发现NP形成聚合的关键位点为位于分子表面四个结构域的疏水性氨基酸,NP结合RNA的关键位点为位于N-lobe和C-lobe间的富含正电荷的狭缝,这些关键位点的发现可以阐示NP蛋白组装成RNPs结构的分子机制。
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