省杰青获得者湖南师范大学刘红荣教授关于病毒内部三维结构的研究成果在《科学》杂志发表

2013年度省杰青获得者湖南师范大学刘红荣教授与清华大学生命科学学院程凌鹏副研究员合作的研究论文“冷冻电镜揭示双链RNA病毒内部聚合酶和病毒基因组的非线轴结构(Cryo-EM shows the polymerase structures and a non-spooled genome within a dsRNA virus)”（http://www.sciencemag.org/content/349/6254/1347.abstract）在国际顶级学术期刊《科学》杂志发表。该研究提出了一种基于二维电子显微图像重构对称失配生物大分子三维结构的新方法，首次揭示了病毒内部基因组及其聚合酶的三维结构。

自人类对疾病的认识进入后基因组时代以来，科学家一直试图对病毒的内部三维结构进行测定。刘红荣教授与程凌鹏副研究员的研究成果第一次将病毒的观察视角从“衣壳”深入到了内部，不仅将一种双链RNA病毒的三维结构完整呈现，否定了过去认为该类型病毒的内部基因组应呈线轴状排列的主流观点，而且以一种全新的方法，开启了帮助人们认识更多生物大分子内部结构的大门。

病毒三维结构研究对人类健康、疾病防控、药物设计等意义重大。自然界中相当数量的病毒是由呈二十面体对称的“衣壳”和壳内非对称的基因组及相关蛋白组成。对病毒衣壳结构的研究已有50多年的历史。近年来，利用电子显微技术和X射线晶体学技术，结构生物学家已经解析了大量病毒衣壳的原子分辨率三维结构，对衣壳蛋白的分子结构已有较为系统的认识。然而，对于病毒内部的基因组及相关蛋白的三维结构，迄今为止科学家仍然几乎一无所知。

据刘红荣介绍，描绘病毒内部结构的难点，在于其内部的基因组和蛋白并非像外部“衣壳”那样，呈二十面体对称排列。科学家将病毒衣壳内部基因组及相关蛋白的这种不对称性称为“对称失配”。正是由于对称失配的存在，研究人员在给病毒“拍照”时，收集的实验数据是不同对称信息的叠加，导致现有的数据处理方法难以对其内部结构进行解析。

刘红荣和程凌鹏两人在病毒三维重构领域开展了十余年合作研究。最近，他们提出了一种基于二维电子显微图像解析对称失配生物大分子三维结构的新方法。该方法可以将具有不同对称性的信息很好地从信噪比极低的电子显微图像中分离出来，并精确地测定其几何关系。运用该方法，他们首次对一种源自昆虫的双链RNA病毒内部的基因组及其RNA聚合酶的三维结构进行了解析，发现该病毒的内部结构呈现出一种“多层球状”。同时，他们也解析了在基因组转录状态下，病毒内部RNA与其聚合酶之间相互作用的精细构象变化。在此基础上，研究人员成功构建出了双链RNA病毒在复制和转录过程中内部RNA及其聚合酶的协同工作模型。正如论文的国际审稿人评价“该研究为解决病毒内部基因组三维结构及基因组同其他蛋白之间的相互作用这一重要问题迈出了坚实的一步；该研究为对称失配三维重构提供了一种全新有效的方法”。