馬裡蘭大學巴爾的摩縣 (UMBC) 的研究人員發現了腸病毒在人類細胞中複製的關鍵步驟。研究結果發表於： 自然通訊解釋導致脊髓灰質炎、腦炎、心肌炎甚至普通感冒等疾病的病毒如何控制細胞機制進行自我複製。科學家表示，這項發現可以幫助研究人員開發出能夠同時針對多種腸病毒的新一代抗病毒藥物。
這項研究由 UMBC 化學和生物化學副教授、最近獲得博士學位的 Deepak Koirala 領導。校友納巴·克里希納·達斯。他們的工作有助於回答有關這些病毒在入侵細胞後如何開始複製的長期存在的問題。
「我的實驗室非常有動力了解 RNA 病毒如何在細胞內產生蛋白質並複製其基因組以產生更多的病毒顆粒，」柯伊拉臘說。該團隊先前的研究已經在病毒的RNA中發現了一個重要的三葉草形結構。這項新研究展示了這種結構如何組裝建構病毒複製機制所需的蛋白質。
腸病毒如何在細胞內增生？
腸病毒攜帶非常小的 RNA 基因組，必須同時完成兩項工作。病毒RNA必須指導病毒蛋白的產生，並且還可以作為創建病毒新副本的模板。
病毒基因組包含大多數結構蛋白的指令，但它也編碼複製所需的幾種特定蛋白。其中最重要的一個是稱為 3CD 的融合蛋白。
3C 部分將長鏈胺基酸分解成病毒所需的單一蛋白質。 3D 部分充當 RNA 聚合酶，這種酶可以複製病毒 RNA，以便病毒能夠複製。人類細胞天然不含有這種類型的聚合酶，這意味著病毒必須提供自己的版本。
「以前，我們單獨確定了 RNA 的結構，其他團隊也確定了 3C 和 3D 的結構，但現在我們已經捕獲了 RNA 和蛋白質的結構，因此我們知道它們如何相互作用，」Koirala 解釋道。 “我們發現，3CD 的 3C 結構域與病毒基因組中的 RNA 結合，然後招募其他組件，例如宿主蛋白 PCBP2，來組裝複製複合物。”
研究人員也發現，這種分子複合物的作用就像一個開關。添加 3CD 後，病毒就會複製 RNA 基因組。當蛋白質被移除後，RNA 就可以用來產生病毒蛋白質。
科學家解開了長期存在的病毒之謎
為了詳細研究這些相互作用，研究團隊使用 X 射線晶體學將 RNA 三葉草和 3CD 蛋白一起進行視覺化。他們也依賴等溫滴定量熱法（ITC）和生物層干涉測量法（BLI），前者測量分子結合時釋放的熱量，後者利用光干涉的變化來監測分子保持結合的時間。
這些實驗幫助解決了一場持續不斷的科學爭論。研究人員表明，兩個完整的 3CD 分子（每個分子都攜帶自己的 RNA 聚合酶）與病毒 RNA 並排結合。先前的研究表明，這些蛋白質反而形成了單一融合對。
科學家們仍然不完全理解為什麼需要兩個副本，但這項新研究提供了關於複製過程如何開始的更清晰的圖像。
廣譜抗病毒藥物潛力
最有希望的發現之一是該研究中檢查的所有七種腸病毒的機制非常相似。這些病毒具有幾乎相同的 RNA 三葉草結構和結合行為。
這種程度的相似性表明 RNA 結構對於病毒的生存極為重要。顯著的突變可能會破壞複製，使該結構成為許多腸病毒潛在的穩定藥物標靶。
研究人員表示，這提高了開發廣譜抗病毒藥物的可能性，這種藥物可以有效對抗整個病毒家族而不是單一病原體。
科學家已經在開發幹擾 3C 和 3D 蛋白的藥物，但新發現揭示了另一種可能的策略。
破壞 3C 和 3D 活動的藥物已經在開發中，但「現在我們還有另一層需要測試，」Koirala 說。 “如果我們瞄準 RNA 或 RNA-蛋白質界面，從而破壞相互作用，會怎麼樣？這是另一個機會。現在我們有了高分辨率結構，我們可以精確設計藥物分子來靶向它們。”
柯伊拉臘說，這項研究突顯了病毒儘管基因組很小，但其複雜程度卻令人驚訝。
「病毒非常非常聰明。它們的整個基因組大約相當於人類的一個 mRNA 序列，但它們仍然非常有效，」柯伊拉臘說。他的最新工作表明“為什麼我們需要研究這一基礎科學，以便將其轉化為針對引起如此多有害疾病的病原體的藥物的開發。”
