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自1976年首次在非洲扎伊尔和苏丹被发现后，埃博拉病毒已在非洲肆虐了近50年，暴发过30多次，造成数万人死亡，病死率最高可达90%。至今非洲仍然面临着埃博拉疫情暴发的危险。
好在全世界科学家对埃博拉病毒的研究始终没有停下脚步，开发能有效抑制埃博拉病毒的小分子药物一直是国际热点和难点。
近日，一支中国研究团队在顶尖学术期刊《自然》发表论文，首次解析了埃博拉病毒聚合酶的三维结构，揭示其工作的分子机制。同时，这项工作还发现了一种百年老药——苏拉明（suramin）抑制埃博拉病毒聚合酶活性的机制。
这一结果为防控埃博拉疫情提供了候选治疗方案，也为抗埃博拉病毒的药物开发提供了新的靶点和方向。中国科学院微生物研究所研究人员施一和高福为论文共同通讯作者。
研究团队指出，埃博拉病毒基因组的转录与复制过程由病毒聚合酶L蛋白和其他辅助蛋白形成的复合物来共同完成。由于聚合酶复合物在不同的丝状病毒中具有高度保守性，是非常理想的广谱性抗病毒药物开发靶点。
但无论是对现有的靶向聚合酶药物进行结构优化，还是针对聚合酶保守位点开发新的药物，都迫切需要弄清楚埃博拉病毒的复制机制，阐明其聚合酶发挥功能的分子基础。不过，埃博拉病毒聚合酶的分子量大、不稳定、易降解，这些因素导致其三维结构的解析一直是世界性难题，从而严重限制了靶向聚合酶的药物开发。
中国研究团队经过多年的尝试摸索，此次成功表达纯化获得了埃博拉病毒聚合酶复合物蛋白（L-VP35复合物），并利用冷冻电镜技术解析其高分辨率三维结构。
▲埃博拉病毒L-VP35聚合酶复合物整体结构（图片来源：参考资料[1]；研究团队提供）
结构分析发现，埃博拉病毒的聚合酶L蛋白与VP35蛋白四聚体形成稳定的复合物，其聚合酶活性结构域和加帽结构域与呼吸道合胞病毒（RSV）和狂犬病毒（RABV）等其它同为不分节段负链RNA病毒的聚合酶结构相似，说明不分节段的负链RNA病毒聚合酶在进化过程中具有保守性。
研究团队注意到，埃博拉病毒聚合酶的N端结构域有一个丝状病毒特有的插入结构域，并在埃博拉病毒聚合酶发挥活性时是必不可少的，可成为潜在的抗病毒药物研发靶点。
病毒聚合酶在生成子代RNA的过程中涉及多种构象变化，其中最重要的构象变化是从起始态到延伸态的转变。在这项工作中，研究人员通过改变冷冻电镜的制样条件，捕捉到了埃博拉病毒聚合酶处于延伸状态时的精细结构，并通过结构比对分析，确认了酶活中心的关键结构元件在延伸态时如何发生构象调整，以促进产物顺利合成。
▲处于起始和延伸状态时的聚合酶活性中心构象（图片来源：参考资料[1]；研究团队提供）
此外，病毒VP35作为聚合酶L蛋白发挥活性不可或缺的伴侣蛋白，以何种形式与聚合酶L蛋白形成复合物来介导病毒基因组复制和转录，一直存有争议。而这项研究确认，VP35以四聚体形式与聚合酶L蛋白进行结合，L-VP35相互作用界面的分子细节为进一步开发靶向聚合酶的药物提供了新的靶点以及重要指导信息。
图片来源：参考资料[1]；研究团队提供
▲L蛋白与VP35的相互作用细节：只有3个VP35蛋白与L蛋白发生直接相互作用，结合区域涉及L蛋白的手指结构域，手掌结构域和N端结构域，以氢键和疏水相互作用为主
早在100多年前，人们发现一种叫苏拉明的药物可以治疗非洲锥虫昏睡病等寄生虫疾病。而在埃博拉疫情暴发后，一些研究提示，苏拉明有良好的体外抗埃博拉病毒活性，但不清楚确切的分子机制。
而此次研究中，科学家们通过体外酶活和细胞复制子实验发现，苏拉明能有效地抑制埃博拉病毒聚合酶活性，并进一步利用冷冻电镜技术解析了埃博拉病毒聚合酶与苏拉明的复合物结构，揭示苏拉明是通过结合在聚合酶的NTP进入通道，阻碍底物进入酶活中心而发挥抑制作用。
苏拉明药物与L蛋白相互作用的分子细节，为进一步改造和优化苏拉明药物提供了关键参考信息。
▲苏拉明药物抑制埃博拉病毒聚合酶的分子机制（图片来源：参考资料[1]；研究团队提供）
综上所述，这项研究首次解析了埃博拉病毒聚合酶的结构，阐明了其合成子代RNA的分子机制，明确了不分节段负链RNA病毒在进行转录和复制时，从起始状态向延伸状态转变时的动态变化，为从分子水平理解埃博拉病毒复制机制奠定了关键理论基础。
同时，该工作发现苏拉明药物能通过抑制NTP底物进入酶活中心而有效抑制埃博拉病毒聚合酶的活性，不仅为防控埃博拉疫情提供了候选治疗方案，也为抗埃博拉病毒的药物开发提供了新的靶点和方向。
中国科学院微生物研究所博士生袁斌和研究人员彭齐为该研究论文共同第一作者，博士后程晋龙和研究人员王敏也参与了该研究课题。中国科学院微生物研究所研究人员施一和高福为本文共同通讯作者。该工作也得到了中科院微生物所研究人员齐建勋和上海巴斯德所研究人员钟劲的大力支持。该研究得到了中国国家重点研发计划、中科院战略先导项目、国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会等项目的经费支持。
题图来源：Wikipedia，public domain，credit：CDC/ Dr. Frederick A. Murphy
参考资料：
[1] Bin Yuan et al, Structure of the Ebola virus polymerase complex, Nature (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05271-2
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