结晶纸\(第5em段)

期刊徽标生物
结晶学
编号:1399-0047

SARS冠状病毒棘突蛋白七重络合物的结晶及初步晶体学分析

十字标记_颜色_方形_文本.svg

清华大学结构生物学实验室,北京100084,中华人民共和国,b条中华人民共和国北京100101生物物理研究所生物大分子国家实验室c(c)中国科学院微生物研究所,北京100080,中华人民共和国
*通信电子邮件:raozh@xtal.tsinghua.edu.cn

(收到日期:2004年9月2日; 2004年10月25日接受)

非典型肺炎(SARS)紧急爆发的病原体是冠状病毒科的一种阳性标记RNA病毒(SARS-CoV),其基因组与其他已知冠状病毒的基因组有很大不同。Ⅰ类病毒融合蛋白中高度保守的七重区(HR1和HR2),包括SARS冠状病毒的棘突蛋白,相互作用形成六螺旋束,称为融合核。这个晶体结构该融合核有望大大促进药物设计。以聚乙二醇4000为沉淀剂,在291K下生长了SARS-CoV尖峰蛋白融合核心的晶体。晶体的衍射图样在内部100K时扩展到2.8°分辨率。晶体具有单位-细胞参数= 121.2,b条= 66.3,c(c)= 70.0 Å,α=γ= 90,β=107.4°,属于空间组 C类2.假设每个非对称单元,溶剂含量估计约为28%。

1.简介

2003年春季,中国广东省首次发现的非典型肺炎疫情(称为严重急性呼吸系统综合征(SARS))蔓延至多个国家(马拉等。, 2003[Marra,M.A.等人(2003),《科学》,3001399-1404]). 加拿大国家微生物实验室从多伦多的一名患者身上获得了Tor2分离物,并在非洲绿猴肾(Vero E6)细胞(Marra等。, 2003【Marra,M.A.等人(2003),《科学》,第300期,第1399-1404页。】). 这种冠状病毒已被世界卫生组织公开命名为“SARS冠状病毒”(Marra等。, 2003【Marra,M.A.等人(2003),《科学》,第300期,第1399-1404页。】). 这种冠状病毒已被确定为引起严重急性呼吸综合征(SARS)的独特病理实体,2003年,SARS在全球感染了8000多人,导致774人死亡。

冠状病毒是单链阳性RNA病毒,是包膜病毒家族的成员,其中包括大量感染不同动物物种的病毒(Siddell等。, 1983【Siddell,S.、Wege,H.和Ter Meulen,V.(1983年),《病毒遗传学杂志》,第64期,第761-776页。】). 与这些病毒相关的主要疾病是呼吸道和肠道感染,尽管也会发生肝脏和神经系统疾病(Siddell,1995[Siddell,S.G.(1995)。冠状病毒科:简介,第1-10页。纽约:全体会议。]). 虽然SARS冠状病毒(SARS-CoV)在形态学上是一种冠状病毒,但它与已知的三类冠状病毒中的任何一类都没有密切关系,因此有人建议将其定义为第四类(第4组)冠状病毒等。, 2003[Rota,P.A.等人(2003),《科学》,3001394-1399。]).

表面糖蛋白类包膜病毒对病毒的进入和复制至关重要。这些包膜蛋白介导病毒粒子最初附着到细胞上以及随后病毒和细胞膜的融合,从而将病毒内容物释放到宿主细胞中(Eckert&Kim,2001b条【Eckert,D.M.和Kim,P.S.(2001b),《生物化学年鉴》,第70期,第777-810页。】). 与包括冠状病毒在内的其他包膜RNA病毒一样,基因组测序表明SARS-CoV包膜棘突(S)蛋白包含高度保守的七重区(HR1和HR2),这些区域在病毒膜融合中非常重要。这种七重区已成功用作许多病毒中病毒进入/融合抑制剂的靶点(Chan&Kim,1998[Chan,D.C.和Kim,P.S.(1998)。细胞,93681-684。]; Eckert&Kim,2001年b条【Eckert,D.M.和Kim,P.S.(2001b),《生物化学年鉴》,第70期,第777-810页。】). 一般认为,包膜蛋白在病毒融合过程中经历了一系列构象变化。HR1和HR2区域被认为是该过程中的重要模块/域,并在不同融合状态下显示出不同的构象(Eckert和Kim,2001b条【Eckert,D.M.和Kim,P.S.(2001b),《生物化学年鉴》,第70期,第777-810页。】). 在目前的模型中,包膜融合蛋白至少有三种构象状态:融合前的天然状态、融合前的发夹中间状态和融合后的发夹状态(Chan等。, 1997【Chan,D.C.、Fass,D.、Berger,J.M.和Kim,P.S.(1997)。细胞,89,263-273。】; Eckert&Kim,2001年b条【Eckert,D.M.和Kim,P.S.(2001b),《生物化学年鉴》,第70期,第777-810页。】). 在这些状态转换过程中,HR1和HR2以中间构象状态暴露,但在融合后状态中相互结合形成线圈结构。因此在体外引入人力资源肽类在中间状态下与内源性HR对应物竞争,防止在融合后状态下转变为HR1/HR2线圈束的形成。一些人力资源肽类或类似物已被证明是病毒融合的有效抑制剂(Eckert&Kim,2001【Eckert,D.M.和Kim,P.S.(2001a),美国国家科学院院刊,98,11187-11192。】,b条; 等。, 2001【Root,M.J.、Kay,M.S.和Kim,P.S.(2001),《科学》,291884-888。】).

膜融合是包膜病毒感染的关键步骤。螺旋-螺旋束构象被认为对于使两个类脂膜(细胞膜和病毒膜)彼此接近很重要,从而使膜融合以便于病毒进入。HR1/HR2线圈束也称为病毒融合蛋白的融合核心(Eckert&Kim,2001b条[Ekert,D.M.和Kim,P.S.(2001b)。《生物化学年鉴》第70卷,第777-810页。]). 迄今为止,已经确定了几个融合核心的晶体结构,包括HIV gp41、HRSV F、流感病毒HA、埃博拉病毒GP和MHV(Bullough等。, 1994【Bullough,P.A.,Hughson,F.M.,Skehel,J.J.&Wiley,D.C.(1994)。《自然》(伦敦),371,37-43。】; 等。, 1997【Chan,D.C.、Fass,D.、Berger,J.M.和Kim,P.S.(1997)。细胞,89,263-273。】; 马拉什凯维奇等。, 1999[Malashkevich,V.N.,Schneider,B.J.,McNally,M.L.,Milhollen,M.A.,Pang,J.X.和Kim,P.S.(1999).美国国家科学院学报,96,2662-2667.]; 徐,刘等。, 2004【徐毅、刘毅、娄毅、秦毅、李毅、白毅、彭毅、田平、高国富、饶毅(2004).生物化学杂志.279,30514-50322.】; 等。, 2000【Zhao,X.,Singh,M.,Malashkevich,V.N.&Kim,P.S.(2000)。美国国家科学院院刊,97,14172-14177。】). 我们已经解决了晶体结构并提出了冠状病毒介导的病毒融合的分子机制(Xu,Liu等。, 2004【Xu,Y.,Liu,Y.,Lou,Z.,Qin,L.,Li,X.,Bai,Z.,Pang,H.,Tien,P.,Gao,G.F.和Rao,Z.(2004)生物化学杂志27930514-50322。】). 然而,SARS-CoV棘突蛋白融合核心的详细结构尚不清楚。

我们以前的研究表明,来自SARS-CoV棘突蛋白的HR1和HR2复合物也形成了典型的稳定三聚体α-螺旋束(Xu,Zhu等。, 2004【徐勇、朱勇军、刘勇军、娄忠、袁富军、刘勇、科尔、D.K.、倪、L.、苏、N.、秦、L.,李、X.、白、Z.、贝尔、J.I.、庞、H.、Tien、P.、饶忠和高国富(2004)。新闻稿。】). 在这里,我们报道了SARS-CoV尖峰蛋白融合核心的纯化、结晶和初步晶体学研究。

2.材料和方法

2.1. SARS融合核心(2-螺旋)蛋白的表达与纯化

SARS尖峰基因是从SARS冠状病毒GZ02克隆1(基因库编号AY390556)中克隆的。使用的HR1区域来自残基900-948,HR2来自残基1145-1184。SARS 2-螺旋结构是通过一个22氨基酸连接子(LVPRGSGGSGGLEVLFQGP,单字母氨基酸编码)连接HR1区和HR2区而形成的。连接体包括凝血酶识别位点识别地点和一个典型的柔性连接器(GGSGGG)。这些构造被克隆到Nde公司我和Xho公司pET22b表达载体(Pharmacia)的I位点(由合成PCR引物引入)。通过测序验证结构,将预期质粒转化为大肠杆菌菌株BL21(DE3)活性细胞和转化子在含有100µg ml的LB琼脂平板上进行筛选−1氨苄西林。细胞在310 K下在含有100µg ml的2×YT培养基中培养−1氨苄西林。当培养密度(OD600)达到0.8,用0.2m诱导培养IPTG并在289 K下额外生长10小时,然后收获细胞。

将细菌细胞颗粒重新悬浮在1×PBS(140 m)中氯化钠,2.7米KCl,10米2高性能操作4,1.8米千赫2人事军官4)并通过超声波均质。裂解液在18000下离心在277 K下持续20分钟,将上清液加载到镍上2+–NTA柱(Qiagen),用50 ml洗涤缓冲液(1×PBS,60 m)洗涤受污染的未结合蛋白咪唑),用洗脱缓冲液(1×PBS,500 m)洗脱目标蛋白咪唑)。来自的样本亲和层析浓缩至0.5 ml,然后装入Superdex 75色谱柱HR10/30(法玛西亚生物技术)色谱柱,并在含有25 mTris–HCl pH值8.0,150 m氯化钠。蛋白质纯度通过10%三辛SDS-PAGE测定。

2.2. 结晶

纯化的SARS 2-螺旋蛋白在结晶缓冲液(10 m)中进行透析Tris–HCl pH 8.0,10 mNaCl)并浓缩至10–15 mg ml−1在291 K下通过悬滴蒸汽扩散法进行结晶。将1µl蛋白质溶液与1µl贮存溶液混合,并在291℃下与200µl贮存溶液平衡混合物K.使用Crystal Screen试剂盒(Hampton Research)和内部制备的PEG 4000筛选试剂盒筛选初始结晶条件。蛋白质可以在含有PEG 4000的几种条件下结晶。通过改变沉淀剂、蛋白质浓度、缓冲液pH和添加剂,进一步优化了产生小晶体的条件。在0.1秒内可以获得质量良好的衍射晶体乙酸钠pH 2.5,10–15%(/)聚乙二醇4000,0.02精脒.4HCl。晶体在两周内出现。

2.3. 数据收集和处理

SARS 2-螺旋晶体被安装在尼龙环中,并在100K的冷氮气流中使用牛津低温系统冷流(0.1pH 2.5,25%PEG 4000的醋酸钠作为低温保护剂。在48 kV和98 mA(CuK(K)α;λ=1.5418º),带有MAR 345成像探测器。使用DENZO公司电子秤组件(Otwinowski&Minor,1997年[Otwinowski,Z.&Minor,W.(1997),《酶学方法》,276307-326。]).

3.结果和讨论

SARS-CoV 2-螺旋蛋白结构在几种条件下都可以很容易结晶,而使用0.1乙酸钠pH 2.5,13%(/)聚乙二醇4000,0.02精脒.4HCl(图1[链接]). 从单晶中收集到2.8º的衍射数据。这些晶体属于空间组 C类2,带晶胞参数= 121.2,b条= 66.3,c(c) = 70.0 Å,α=γ= 90,β= 107.4°. 假设在非对称单元,马修斯数(V(V))约1.7ºDa公司−1计算出溶剂含量约为28%。选定的数据统计如表1所示[链接].

表1
严重急性呼吸系统综合征2-螺旋线的数据收集和处理统计

“空间”组 C类2
单位-细胞参数(Ω,°) = 121.2,b条= 66.3,c(c)= 70.0,β= 107.4
波长(Ω) 1.5418
分辨率极限(Ω) 2.8
观察到的反射 27312
独特的反射 11974
完整性(%) 91.4 (80.8)
/σ() 5.7 (1.2)
R(右)合并(%) 13.9 (51.1)
R(右)合并=[\textstyle\sum_{h}\sum_{i}|i_{ih}-\langle i_{h{rangle|/][\textstyle\sum_{h}\sum_{i}\langle i_{h{rangle],其中〈小时〉是观测值的平均值国际卫生组织反射的小时.
[图1]
图1
悬滴法生长的典型SARS 2-螺旋蛋白晶体乙酸钠pH 2.5,13%(/)桩号4000,0.02精脒.4HCl。

使用Rigaku RU2000旋转铜节点X射线发生器和MAR 345成像探测器从单晶中收集SARS-CoV 2-螺旋的X射线衍射数据(图2[链接]和2b条). 晶体到探测器的距离为120 mm,曝光时间为600 s,振荡角度为1°,波长为1.5418Ω。

[图2]
图2
()SARS 2-螺旋晶体的典型X射线衍射图。衍射图像是在MAR 345成像探测器上采集的。振荡范围为1°。(b条)图2所示区域的放大图像[链接]().

收集的数据被编入索引并用DENZO公司电子秤组件(Otwinowski&Minor,1997年[Otwinowski,Z.&Minor,W.(1997),《酶学方法》,276307-326。]). 这个晶体结构SARS的2螺旋由分子置换带有MHV 2螺旋结构(PDB代码1个工作日)作为搜索模型。显然晶体结构SARS-CoV棘突蛋白的融合核心将提供病毒融合核心结构和SARS冠状病毒棘突蛋白介导的病毒融合机制的详细图片。这将为基于结构的融合抑制剂设计开辟一条新途径肽类或肽类似物,例如小分子,用于这种新出现的传染病。

致谢

这项工作得到了中国科学技术部973和863项目的支持[批准号:200BA711A12、G199075600、GZ236(202/9)和2003CB514103]。

工具书类

第一次引用Bullough,P.A.,Hughson,F.M.,Skehel,J.J.&Wiley,D.C.(1994年)。自然(伦敦),371, 37–43. 交叉参考 中国科学院 公共医学 科学网 谷歌学者
第一次引用Chan,D.C.、Fass,D.、Berger,J.M.和Kim,P.S.(1997年)。单元格,89, 263–273. 交叉参考 中国科学院 公共医学 科学网 谷歌学者
第一次引用Chan,D.C.和Kim,P.S.(1998年)。单元格,93, 681–684. 科学网 交叉参考 中国科学院 公共医学 谷歌学者
第一次引用Eckert,D.M.和Kim,P.S.(2001年).程序。美国国家科学院。科学。美国,98, 11187–11192. 科学网 交叉参考 公共医学 中国科学院 谷歌学者
第一次引用Eckert,D.M.和Kim,P.S.(2001年b条).每年。生物化学评论。 70, 777–810. 科学网 交叉参考 公共医学 中国科学院 谷歌学者
第一次引用Malashkevich,V.N.,Schneider,B.J.,McNally,M.L。,Milhollen,M.A.、Pang,J.X.和Kim,P.S.(1999)。程序。美国国家科学院。科学。美国,96, 2662–2667. 科学网 交叉参考 公共医学 中国科学院 谷歌学者
第一次引用医学硕士马拉。等。(2003).科学类,300, 1399–1404. 科学网 交叉参考 公共医学 中国科学院 谷歌学者
第一次引用Otwinowski,Z.&Minor,W.(1997年)。方法酶制剂。 276, 307–326. 交叉参考 中国科学院 科学网 谷歌学者
第一次引用Root,M.J.、Kay,M.S.和Kim,P.S.(2001年)。科学类,291, 884–888. 科学网 交叉参考 公共医学 中国科学院 谷歌学者
第一次引用罗塔,P.A。等。(2003).科学类,300, 1394–1399. 科学网 交叉参考 公共医学 中国科学院 谷歌学者
第一次引用Siddell,S.G.(1995)。冠状病毒科:简介第1-10页。纽约:全会。 谷歌学者
第一次引用Siddell,S.、Wege,H.和Ter Meulen,V.(1983年)。《病毒遗传学杂志》。 64, 761–776. 交叉参考 公共医学 科学网 谷歌学者
第一次引用Xu,Y.,Liu,Y..,Lou,Z.,Qin,L.,Li,X.,Bai,Z.、Pang,H.、Tien,P.、Gao,G.F.和Rao,Z.(2004)。生物学杂志。化学。 279, 30514–50322. 科学网 交叉参考 公共医学 中国科学院 谷歌学者
第一次引用Xu,Y.,Zhu,J.,Liu,Y.Lou,Z.,Yuan,F.,Liu.,Y.、Cole,D.K.、Ni,L.、Su,N.、Qin,L.,Li,X.、Bai,Z.、Bell,J.I.、Pang,H.、Tien,P.、Rao,Z.和Gao,G.F.(2004)。在媒体上。 谷歌学者
第一次引用Zhao,X.、Singh,M.、Malashkevich,V.N.和Kim,P.S。(2000).程序。美国国家科学院。科学。美国,97, 14172–14177. 科学网 交叉参考 公共医学 中国科学院 谷歌学者

©国际结晶学联合会。如果引用了原文作者和来源,则无需事先获得许可即可复制本文中的简短引文、表格和数字。有关详细信息,请单击在这里.

期刊徽标生物
结晶学
国际标准编号:1399-0047