莫格里奇研究所的科学家们首次生成了一种主要病毒蛋白复合物的近原子分辨率图像，该病毒蛋白复合物负责复制正链RNA病毒成员的RNA基因组，正链RNA病毒是包括冠状病毒和许多其他病原体在内的一大类病毒。
这一结果将有助于开发新型抗病毒药物，并为病毒生命周期提供机制方面的见解。
“快速发展的可视化这些关键结构的能力正在改变游戏规则，”Paul Ahlquist说，他是莫里奇研究所John W. and Jeanne M. Rowe病毒学研究中心的主任，也是威斯康星大学麦迪逊分校的肿瘤学和分子病毒学教授。该研究的其他作者包括Nuruddin Unchwaniwala, Hong Zhan, Janice Pennington, Mark Horswill和Johan den Boon。
Ahlquist和他的团队使用一种称为冷冻电子显微镜(cryo-EM)断层扫描的先进技术，在他们之前的工作的基础上，首次揭示了这种冠状病毒RNA复制复合体的存在。
这项发表在7月20日《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的新研究显示，复制冠复合物的分辨率得到了显著提高，大约达到8.5埃，这相当于几个原子的间距。
本研究涉及的正链RNA病毒是六种遗传类病毒中最大的一种，包括许多重要的病原体，如寨卡病毒、登革热病毒和基孔肯雅病毒，以及导致当前COVID-19大流行的SARS-CoV-2等冠状病毒。
在每一种正链RNA病毒中，大多数病毒基因都致力于一个单一的过程:复制病毒RNA基因组。
Ahlquist说:“鉴于这种巨大的资源投入，病毒RNA基因组复制可以说是感染中最重要的过程之一，它已经是病毒控制的主要目标。”
在受感染的细胞内，病毒RNA复制发生在修饰的细胞膜上，通常与球粒(病毒诱导的约50-100纳米大小的囊泡)有关。Ahlquist和他的团队先前表明，在每个这样的基因组复制复合体中，病毒RNA基因组或染色体的拷贝被保护在球体囊泡内，作为复制模板。复制复合体反复复制这一档案病毒RNA染色体以产生新的后代基因组，这些基因组通过囊泡上的膜状颈释放到细胞质中，在那里它们作为新的感染性病毒粒子的有效载荷被合并。
这项先前的工作进一步表明，诱导复制囊泡和复制病毒RNA的关键病毒蛋白位于与细胞质连接的球体颈的细胞质侧的一个引人注目的环状或冠状结构中。
新的高分辨率冷冻电镜图像和互补结果表明，冠状病毒是由12个关键病毒RNA复制蛋白组成的，它们像木棒一样排列在一个桶中。此外，这些图像还显示了类似拉链的相互作用，就像桶上的箍一样，将相邻的部分连接在一起，形成环状的皇冠。这些拉链相互作用与Ahlquist小组先前在该蛋白质中绘制的多聚相互作用非常吻合。
形成冠状体的病毒RNA复制蛋白是一种非常大的、多结构域的、多功能的蛋白，大小接近1000个氨基酸。该蛋白含有RNA聚合酶和RNA盖帽结构域-;这两个酶结构域在许多正链RNA病毒中是保守的，用于合成新的病毒基因组拷贝;另外还有一些结构域用于多聚、结合膜和其他功能。
这些结构域如何在冠状结构中进行物理组织是理解复制复合体如何发挥作用的最重要问题之一，也是定义高分辨率冠状结构的几个强大动机之一。
研究人员使用一种结合了基因工程、位点特异性标签和在低温电镜下可见的纳米级金颗粒标记的方法，发现病毒RNA复制蛋白的c端聚合酶末端位于冠的顶端，在结构的底部留下n端盖层区域与膜相互作用。
聚合酶的顶端位置对复制过程的早期步骤具有重要的机制意义，这些步骤将起始病毒RNA模板招募到复合体中并形成复制囊泡，以及复制模板以产生新的后代基因组以包装成感染性病毒颗粒的后期步骤。这些结果为进一步在更高水平上定义复制复合体的结构和功能提供了坚实的基础。
“我们希望继续改进RNA复制复合体的冠状结构，以便在未来提供更多重要的改进，”Ahlquist说。“我们也希望解决我们工作中越来越多的迹象，即这些蛋白质的构象变化对它们的多种功能至关重要。”
他补充说:“这些进展将越来越详细地揭示这些复合物是如何组装和运作的，从而揭示如何最好地攻击它们。”“这些见解应该为新的、更强的抗病毒机制提供基础。”
