上海光源用户在细菌病毒突破宿主细胞膜新机制和RNA表观遗传学研究上取得重要进展

一、细菌病毒突破宿主细胞膜新机制研究

2016年6月23日，国际权威学术期刊《自然》（Nature）发表清华大学医学院向烨教授课题组的论文：“The bacteriophage φ29 tail knob protein possesses a pore-forming loop for cell membrane penetration（噬菌体φ29尾部蛋白含有一段用于穿透细胞膜的孔道形成环绊）”。论文通过对细菌病毒φ29尾部蛋白gp9（gene protein 9）结构及生化研究，发现病毒利用gp9的一段疏水性肽段在宿主细胞膜上形成孔道，并通过其注射基因组DNA入宿主细胞内。 

细菌病毒（又名噬菌体）φ29属于双链DNA病毒，其通过自身的非收缩性短尾特异性侵染宿主枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）。属于革兰氏阳性菌的枯草芽孢杆菌由细胞壁和细胞质膜包裹，帮助自身抵御外界干扰及病毒入侵。噬菌体首先需要克服细胞壁和细胞膜的阻碍，才能将遗传物质注入宿主进行复制和重新组装。φ29及其它大多数噬菌体通过尾部蛋白肽聚糖水解酶对细胞壁进行局部水解而突破细胞壁。然而，科学界对于噬菌体突破细菌细胞质膜并释放其遗传物质到宿主体内的机制知之甚少。 

在该项研究中，向烨教授团队利用上海光源生物大分子晶体学线站（BL17U1）获得了gp9全长和突变体gp9△417-491的晶体结构，发现gp9蛋白能够形成六聚体通道结构，相对于gp9△417-491，全长gp9通道内部被一段疏水性肽段（L loop）所填充。在φ29感染过程中，这段疏水性肽段必须从gp9通道中释放出来，病毒DNA才能通过通道注入宿主细胞。对该肽段氨基酸同源序列搜索发现，该肽段与HIV病毒及流感病毒的融合肽段（fusion peptide）氨基酸序列性质相似。这说明φ29的这段疏水性肽段很可能与细胞膜作用。比较噬菌体φ29在DNA释放前后的尾部通道结构的冷冻电镜三维重构结果，发现DNA释放后，该疏水性肽段能够从gp9形成的通道内部翻转，在尾末端形成一个独立的新的孔道。当与脂质体混合并经过酸处理诱导DNA释放后，通过冷冻电镜观察到噬菌体φ29整齐排列在脂质体周围，且脂质体内部有噬菌体DNA。电镜重构结构显示尾部新暴露出的疏水肽段插入脂质体上形成跨膜孔道供DNA通过。这一以形成跨膜孔道突破细胞膜的机制与一些真核病毒如腺病毒类似，表明虽然真核病毒和原核病毒在形态结构及入侵机制上有着较大区别，针对同一障碍的趋同进化过程使得它们形成类似的机制克服宿主细胞膜障碍。 

图：gp9的晶体结构 

二、RNA表观遗传学研究 

2016年6月23日，国际权威学术期刊《自然》（Nature）还发表了华中农业大学殷平教授课题组关于N6腺嘌呤甲基转移酶METTL3-METTL14蛋白复合体晶体结构的最新科研进展。论文以“Structural basis of N6-adenosine methylation by the METTL3-METTL14 complex”为题，首次报道了METTL3-METTL14蛋白复合体晶体结构，该结构揭示了RNA N6腺嘌呤甲基化修饰过程中的结构基础，并为进一步研究m6A功能和药物筛选提供了思路，此研究是表观遗传学领域的一项突破。 

众所周知，RNA（核糖核酸）是生命遗传信息有效翻译的基本载体。近年来， RNA化学修饰一直是研究的热点。其中许多生物的mRNA中存在一种至关重要的化学修饰，即N6腺嘌呤甲基化修饰。该修饰非常保守，在病毒、细菌、酵母、拟南芥、水稻和人中普遍存在。越来越多证据表明，RNA N6腺嘌呤甲基化修饰与生物的生长发育息息相关。它起到一个开关的作用，决定特定基因的表达或失活。信使RNA甲基化水平在胚胎发育过程中也发挥着重要作用，甲基化模式的紊乱与许多发育失调综合症有密切关系。在人体内，该修饰主要由甲基转移酶复合体完成，其中METTL3和METTL14为该复合体的核心成员。 

约在20年前，有研究就已经鉴定出甲基转移酶METTL3，另一个甲基转移酶METTL14 最近才鉴定出来。为什么该修饰中会同时存在两个甲基转移酶，该甲基转移酶的作用方式究竟是怎么样的？这些问题一直没有合理的分子机制解释。从2014年开始，殷平教授课题组同时针对水稻和人源N6甲基转移酶的作用机制展开研究。其中，关于人源N6甲基转移酶复合物率先取得了突破。最终，综合利用结构生物学，生物化学等研究方法，揭开了这一谜底。 

殷平教授课题组利用上海光源生物大分子晶体学线站（BL17U1）和蛋白复合物线站（BL19U1），首次解析了METTL3-METTL14蛋白复合体晶体结构。通过结构研究发现，尽管METTL3-METTL14蛋白复合体中存在两个甲基转移酶，但只有METTL3的催化中心结合了反应底物SAM（S-腺苷甲硫氨酸）而METTL14中没有SAM，生化实验也表明一分子的METTL3-METTL14复合体只结合一分子SAM。进一步研究表明METTL3和METTL14这两个甲基转移酶在复合体中存在着功能分化，METTL3主要起到催化作用，而METTL14主要提供了结合底物的平台。这一发现为全面了解N6 腺嘌呤RNA甲基化修饰奠定了基础。 

图：N6腺嘌呤甲基转移酶METTL3-METTL14蛋白复合体晶体结构