科学家揭示了迄今为止最高分辨率的腺病毒的结构
2010-09-02 22:03:05 来源：丁香园 作者： 评论：0 点击：
经过十多年的研究，斯克里普斯研究所的科学家们将人腺病毒的各片段拼接完成—达到原子解析度的迄今最高分辨率的结构。这种能感染呼吸道、眼和消化道的病毒，也许能引导更有效率的基因治疗或者新的抗病毒药物。
这项研究结果刊登在2010年8月27日的“Science”杂志中
斯克里普斯研究所的Glen Nemerow教授和他的同事Vijay Reddy副教授说：“我们在其结构中发现了很多重要的信息，包括再其装配过程中的关键因素，这对于病毒重组进行基因治疗来说是很重要的”。
Reddy表示，尽管许多病毒的结构已经被X-射线衍射晶体分析方法得到，但是腺病毒确实最大的，它有150兆道尔顿，将近100万个氨基酸，两倍于达到原子解析度曾经被认为最大的病毒—PRD1。
基因治疗的前景
腺病毒在1950年被发现，是一类致病因子的主要种类，包括能导致普通感冒的病毒。正常人体最终可以战胜病毒而痊愈，但是儿童和免疫系统有缺陷的人群则会产生综合感染。现今没有药品能抵抗病毒，主要的手段是控制症状。
腺病毒已经长期困扰人类，目前许多科学家正在利用其特性—如稳定性和其能转染多种细胞的特性—去治疗其他疾病。人们希望，改构后的腺病毒在基因治疗方面能起到重要的作用，例如，作为载体基因携带治疗性基因到达细胞内。
“腺病毒最早用来基因治疗的临床试验是治疗纤维囊泡症”，Nemerow说，“但是由于不知道利用病毒的特性和其与宿主细胞的相互作用机制，失败了”
Nemerow表示，尽管前期受到挫折，但是25%的基因治疗临床试验是利用腺病毒的，主要用于肿瘤和心血管疾病。对病毒的进一步了解能使那些努力更有效，而一但成功，将对主题产生很大的影响。
马拉松刚刚开始
因此，1998年Nemerow 和 Reddy开始研究腺病毒的分子结构—完全没想到12年后他们取得了成功。
科学家们开始使用X-射线晶体衍射技术，这复杂结构检分子结构鉴定的金标准。利用此方法，科学家门制作出大量的蛋白或病毒，使其呈晶体状，然后置于X射线光栅前，当X射线遇到原子时就发生衍射。基于各种衍射后的图像，科学家们就能还原出分子的原始结构。
但是在这过程的几个步骤，会产生许多问题。
第一个问题是，晶体的制作。其他科学在制作晶体的时候，因为腺病毒顶端伸出很长，轮辐状纤毛复合物。这些纤毛状物影响了结晶作用，这个过程需要样品紧密的结合。
Nemerow 的实验室，制作了一种缺少纤毛的腺病毒，一次进行包装，以进行结晶。但是科学家发现这些新病毒是不稳定的。而作为另一项尝试，他们又制作了一种具有短纤毛的病毒。
Reddy说：“这是个两全其美的方法，我们得到了稳定的短纤毛的病毒，所以我们能对颗粒进行包装，从而制作晶体”。
然而，晶体的制作需要在溶液中蛋白的高浓度。而这也成为了问题，因为高浓度的腺病毒聚集在一起后，又变的不稳定。在不断摸索添加剂和缓冲液后，Nemerow and Reddy得到了使其稳定的条件。
科学家们最终可以制作晶体了。
但是当Nemerow and Reddy在劳伦斯伯克利国家实验室中，将晶体放置在同步辐射设备中时，晶体没有发生衍射。
面对困境的执着
科学家们需要更高质量的晶体
Nemerow and Reddy坚持不懈的改变条件，使其能让晶体达到发生衍射的质量。在这一点上，Nemerow and Reddy有了自动洁净的想法，在2002年，这是一种新型并且昂贵的方法。
Reddy 解释道，在试验室中通常被小体积的样品困扰，当时在试验室中最小只能移取1微升的样品，但是试验确要求比这还要小—50纳升，为了达到这一条件的小滴，他们进行了大量的条件摸索。并且在这样的小滴中，晶体生长的很快。
在进行了大量的试验后，科学家们终于摸索出了能够产生高质量晶体的条件。然后他们在实验室重复制作了足够的晶体，去到伯克利试验进行检测。在那里，Nemerow and Reddy终于观察到了晶体衍射，但是只有10埃，还不足以解析结构。
幸运的是，2005年Reddy的指导老师，斯克里普斯的Jack Johnson教授，建议他们到芝加哥的阿尔贡国立试验室去试一试，因为那里有新型的能产生23号三维光束源的设备。
在用新型的光线试验后，Nemerow and Reddy发现腺病毒晶体衍射能达到3-4埃分辨率。
走向终点
但是它们面对的挑战还没有结束，研究者们发现在X射线的作用下，晶体会发生降解。所以在当晶体试验中获得的数据很少。
Reddy指出，在人们思想中认为，在溶液中的病毒是生存的实体，但是在晶体中，它是必须经过完美的包装的。所有的分子必须被紧密的链接在一起，这就是任何晶体的降解都会影响衍射的原因。
Nemerow and Reddy继续寻找能产生稳定晶体的条件，两人还认识到，通过2个月的生长期，他们得到一种全新的晶体。研究者们开始计划着去芝加哥的形成，已便在晶体刚产生时，就可以检测。
Nemerow and Reddy开始一年至少3次去芝加哥检测，而机器的主人也愿意提供新型的光源。最终，他们收集了将近1000个晶体的数据，其中10%发生了衍射。
“我们用100个晶体去解析结构”Reddy说，“这至少有2000万个反射，所以我们自称为百万富翁”。
当一个又一个的晶体数据被收集后，Reddy开始整合大量的数据来拼接病毒的图案。
Nemerow提示到，通常这些任务都不是一个人来完成的，但是这次工作中，几乎是Vijay一个人完成了工作。
一个新的发现
这项工作中绘制的病毒图形包括了绝大部份，一些小的、未绘制的部分是因为它们是动态的，而不能把他们固定在一个位置上。
这个新的结构信息揭示了病毒装配的薄弱部分吗，同时也提示了强力结合的部分。
病毒在生存环境中是稳定的，但是当进如细胞时，还是会发生解装配。所以病毒结构会变得松弛，以进入细胞。
Nemerow提到，这些发现可能会被用到新药的研发中，例如能转染进入细胞内和组织病毒装配的混合物。更让他激动的是这些发现在基因治疗中的应用。
他说，就像一个电气工程师一样，想在房间里安装一条新线路，但是还不能安装到其他重要的位置上，就像病毒中一些重要的区域一样。
研究者发现腺病毒结构中参与受体相互作用的重要蛋白也出现了一些意想不到的变化，增加了这些部位装配的可塑性。
在以后的研究中，团队的研究将集中在这次试验中未表明的部分，以及比较各种类型腺病毒结构的不同。
这项研究结果刊登在2010年8月27日的“Science”杂志中
斯克里普斯研究所的Glen Nemerow教授和他的同事Vijay Reddy副教授说：“我们在其结构中发现了很多重要的信息，包括再其装配过程中的关键因素，这对于病毒重组进行基因治疗来说是很重要的”。
Reddy表示，尽管许多病毒的结构已经被X-射线衍射晶体分析方法得到，但是腺病毒确实最大的，它有150兆道尔顿，将近100万个氨基酸，两倍于达到原子解析度曾经被认为最大的病毒—PRD1。
基因治疗的前景
腺病毒在1950年被发现，是一类致病因子的主要种类，包括能导致普通感冒的病毒。正常人体最终可以战胜病毒而痊愈，但是儿童和免疫系统有缺陷的人群则会产生综合感染。现今没有药品能抵抗病毒，主要的手段是控制症状。
腺病毒已经长期困扰人类，目前许多科学家正在利用其特性—如稳定性和其能转染多种细胞的特性—去治疗其他疾病。人们希望，改构后的腺病毒在基因治疗方面能起到重要的作用，例如，作为载体基因携带治疗性基因到达细胞内。
“腺病毒最早用来基因治疗的临床试验是治疗纤维囊泡症”，Nemerow说，“但是由于不知道利用病毒的特性和其与宿主细胞的相互作用机制，失败了”
Nemerow表示，尽管前期受到挫折，但是25%的基因治疗临床试验是利用腺病毒的，主要用于肿瘤和心血管疾病。对病毒的进一步了解能使那些努力更有效，而一但成功，将对主题产生很大的影响。
马拉松刚刚开始
因此，1998年Nemerow 和 Reddy开始研究腺病毒的分子结构—完全没想到12年后他们取得了成功。
科学家们开始使用X-射线晶体衍射技术，这复杂结构检分子结构鉴定的金标准。利用此方法，科学家门制作出大量的蛋白或病毒，使其呈晶体状，然后置于X射线光栅前，当X射线遇到原子时就发生衍射。基于各种衍射后的图像，科学家们就能还原出分子的原始结构。
但是在这过程的几个步骤，会产生许多问题。
第一个问题是，晶体的制作。其他科学在制作晶体的时候，因为腺病毒顶端伸出很长，轮辐状纤毛复合物。这些纤毛状物影响了结晶作用，这个过程需要样品紧密的结合。
Nemerow 的实验室，制作了一种缺少纤毛的腺病毒，一次进行包装，以进行结晶。但是科学家发现这些新病毒是不稳定的。而作为另一项尝试，他们又制作了一种具有短纤毛的病毒。
Reddy说：“这是个两全其美的方法，我们得到了稳定的短纤毛的病毒，所以我们能对颗粒进行包装，从而制作晶体”。
然而，晶体的制作需要在溶液中蛋白的高浓度。而这也成为了问题，因为高浓度的腺病毒聚集在一起后，又变的不稳定。在不断摸索添加剂和缓冲液后，Nemerow and Reddy得到了使其稳定的条件。
科学家们最终可以制作晶体了。
但是当Nemerow and Reddy在劳伦斯伯克利国家实验室中，将晶体放置在同步辐射设备中时，晶体没有发生衍射。
面对困境的执着
科学家们需要更高质量的晶体
Nemerow and Reddy坚持不懈的改变条件，使其能让晶体达到发生衍射的质量。在这一点上，Nemerow and Reddy有了自动洁净的想法，在2002年，这是一种新型并且昂贵的方法。
Reddy 解释道，在试验室中通常被小体积的样品困扰，当时在试验室中最小只能移取1微升的样品，但是试验确要求比这还要小—50纳升，为了达到这一条件的小滴，他们进行了大量的条件摸索。并且在这样的小滴中，晶体生长的很快。
在进行了大量的试验后，科学家们终于摸索出了能够产生高质量晶体的条件。然后他们在实验室重复制作了足够的晶体，去到伯克利试验进行检测。在那里，Nemerow and Reddy终于观察到了晶体衍射，但是只有10埃，还不足以解析结构。
幸运的是，2005年Reddy的指导老师，斯克里普斯的Jack Johnson教授，建议他们到芝加哥的阿尔贡国立试验室去试一试，因为那里有新型的能产生23号三维光束源的设备。
在用新型的光线试验后，Nemerow and Reddy发现腺病毒晶体衍射能达到3-4埃分辨率。
走向终点
但是它们面对的挑战还没有结束，研究者们发现在X射线的作用下，晶体会发生降解。所以在当晶体试验中获得的数据很少。
Reddy指出，在人们思想中认为，在溶液中的病毒是生存的实体，但是在晶体中，它是必须经过完美的包装的。所有的分子必须被紧密的链接在一起，这就是任何晶体的降解都会影响衍射的原因。
Nemerow and Reddy继续寻找能产生稳定晶体的条件，两人还认识到，通过2个月的生长期，他们得到一种全新的晶体。研究者们开始计划着去芝加哥的形成，已便在晶体刚产生时，就可以检测。
Nemerow and Reddy开始一年至少3次去芝加哥检测，而机器的主人也愿意提供新型的光源。最终，他们收集了将近1000个晶体的数据，其中10%发生了衍射。
“我们用100个晶体去解析结构”Reddy说，“这至少有2000万个反射，所以我们自称为百万富翁”。
当一个又一个的晶体数据被收集后，Reddy开始整合大量的数据来拼接病毒的图案。
Nemerow提示到，通常这些任务都不是一个人来完成的，但是这次工作中，几乎是Vijay一个人完成了工作。
一个新的发现
这项工作中绘制的病毒图形包括了绝大部份，一些小的、未绘制的部分是因为它们是动态的，而不能把他们固定在一个位置上。
这个新的结构信息揭示了病毒装配的薄弱部分吗，同时也提示了强力结合的部分。
病毒在生存环境中是稳定的，但是当进如细胞时，还是会发生解装配。所以病毒结构会变得松弛，以进入细胞。
Nemerow提到，这些发现可能会被用到新药的研发中，例如能转染进入细胞内和组织病毒装配的混合物。更让他激动的是这些发现在基因治疗中的应用。
他说，就像一个电气工程师一样，想在房间里安装一条新线路，但是还不能安装到其他重要的位置上，就像病毒中一些重要的区域一样。
研究者发现腺病毒结构中参与受体相互作用的重要蛋白也出现了一些意想不到的变化，增加了这些部位装配的可塑性。
在以后的研究中，团队的研究将集中在这次试验中未表明的部分，以及比较各种类型腺病毒结构的不同。
除Nemerow and Reddy外，文章的作者还有范德比特大学医学中心的Phoebe L. Stewart教授和斯克里普斯研究的助理研究员S. Kundhavai Natchiar。
早期研究由诺华/GTI资助，后期研究由NIH资助。光源使用经过美国能源部批准。
斯克利普斯研究院的研究者们拼接出人腺病毒结构，图片由斯克利普斯研究院Nemerow and Reddy实验室绘制
早期研究由诺华/GTI资助，后期研究由NIH资助。光源使用经过美国能源部批准。
斯克利普斯研究院的研究者们拼接出人腺病毒结构，图片由斯克利普斯研究院Nemerow and Reddy实验室绘制
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