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病毒基因组的复制和转录是病毒生命活动周期中的核心过程。这一过程主要与病毒自身的两大核心组成成分有关:一是病毒基因组,二是病毒基因组编码的聚合酶。由于病毒是属于完全依赖于宿主细胞的寄生性生物,其基因组组成十分节约。目前共发现三种类型的RNA病毒基因组:正链、负链和双链RNA,却只有一种类型的病毒RNA聚合酶(RdRp,RNA dependent RNA polymemse)。RNA病毒的聚合酶(RdRp)是一种由病毒基因组编码的独特的酶,它在病毒基因组的复制和转录过程中起着非常关键的作用。理解病毒的复制和转录机制对于控制病毒感染性疾病是必须的。本研究论文主要分析了一种负链RNA病毒一流感病毒基因组的启动子/复制起点和一种正链RNA病毒一肠道病毒71型(EV71)RNA聚合酶的生物化学特性。
在本论文的第一部分研究中,根据Lee等人的研究结果,甲型流感病毒NA基因3末端第四位位置U(U4)能增强病毒的复制,我们提出了如下假设:流感病毒基因组启动子/复制起点3末端第四位位置C(C4)由于其自身结构的特点能够导致病毒基因组启动子/复制起点与病毒聚合酶的结合亲和力减弱,从而使得病毒的复制和转录降低。当我们把流感病毒八个基因组片段的启动子/复制起点第四位位置全部突变成C4型时,病毒的复制活力将会下降,同时对易感小鼠模型的致病性将会减弱。反之,流感病毒U4启动子/复制起点由于能够稳定其与病毒RNA聚合酶的结合而使得病毒的复制增强。
我们比较了U4和C4启动子/复制起点的复制子活性差异,发现C4的复制子活性只有U4的28%。同时我们在体外复制和转录条件下比较了流感病毒RNA聚合酶以U4[v84(U4)],C4[v84(C4)]和互补RNA链(c84)为模板的转录和复制活性,结果显示C4模板由于对聚合酶的结合亲和力降低而使得其在体外的复制和转录活性都比U4低。当把流感病毒WSN株的八个节段全部突变成C4或U4时,AllU4病毒在细胞上的生长活力增强而AllC4减弱。但是通过对小鼠致病性的分析,AllU4和AllC4突变体病毒的致病性都低于WSNwt病毒。
第一部分结论:由于流感病毒C4启动子/复制起点与病毒RNA聚合酶的结合亲和力弱而使得病毒的复制和转录减弱,相反U4启动子/复制起点由于跟病毒RNA聚合酶的结合亲和力强而使得病毒的复制和转录增强;但是AllC4和AllU4突变体病毒对老鼠的致病性却都比野生型WSN病毒弱,这可能与机体的防御机制有关。C4启动子/复制起点减弱病毒的毒力为流感病毒疫苗设计提供了新思路。
在本研究论文的第二部分中,我们表达纯化了EV71病毒3D RNA聚合酶并对其基本生化学特性进行了鉴定。研究显示:EV71病毒RNA聚合酶是特异性依赖Mn2+的聚合酶,在Mg2+存在条件下完全没有活性。EV713D聚合酶是引物依赖型的RNA聚合酶,它可以利用双核苷酸和十核苷酸RNA作为引物,以poly(C)和基因组RNA为模板从头起始转录,DNA引物如寡聚dT15可以增强其转录活性。EV713D聚合酶对RNA模板的结合力很弱,没有末端核苷酸转移酶活性和逆转录酶活性,其酶促反应动力学常数Km和Vmax通过经典的Lineweaver-Burk作图计算获得。EV71病毒的原型株BrCr-Tr和北京分离株BJ的聚合酶活性无显著性差异,对UTP底物的动力学常数一致,这说明EV713D聚合酶可以作为抗病毒药物设计的靶标。
第二部分结论:EV71病毒RNA聚合酶与脊髓灰质炎病毒RNA聚合酶具有相似的基本生化学特性,主要不同点在于EV71病毒RNA聚合酶在Mg离子存在条件下完全没有活性,而且对RNA模板的结合力很弱。EV71病毒RNA聚合酶的生化学研究和动力学常数分析为以聚合酶为靶标的抗病毒药物筛选提供了理论支持。