水痘-带状疱疹病毒的衣壳结构与衣壳蛋白相互作用机制研究

Varicella-zoster virus (VZV) is the causative agent of both chickenpox and shingles, and there is still no specific drug to treat VZV-induced diseases. Viral capsid assembly is an essential step of virus infection and replication, and can be used as a good target for drug design. However, there is still a lack of understanding of the precise structure of the VZV capsid and the interaction mechanism between capsid proteins. In the previous work, our group has established sophisticated technology platform for basic research on VZV and developed efficient methods for large-scale preparation and purification of VZV capsids. Furthermore, we have successfully determined an intermediate resolution structure of the VZV capsid by cryo-electron microscopy (Cryo-EM). In this proposal, we will systematically carry out the basic research on the structure and assembly of different types of VZV capsids. We aim to obtain the high-resolution three-dimensional structure of the VZV capsid by Cryo-EM, identify the precise structure characteristics and composition of VZV capsids, and determine the protein-protein interaction network between capsid proteins and key amino acids or domains that affect capsid assembly, as well as reveal the assembly mechanism. We expect the results of this study will enhance our understanding of the VZV life cycle, further enrich and improve the understanding of the structure and assembly of herpesvirus capsid, and provide scientific support for the development of new antiviral drugs and therapies.

水痘-带状疱疹病毒（VZV）是导致水痘与带状疱疹的病原体，具有较严重的危害，目前仍缺乏针对性治疗药物。衣壳形成是病毒感染复制周期的必由步骤，也是研制抗病毒药物的良好靶标。然而，目前仍缺乏对VZV衣壳精确结构与衣壳蛋白相互作用机制的系统认识。课题组在前期工作中已建立了较成熟的VZV基础研究技术平台与病毒颗粒纯化方法，已成功初步开展了VZV衣壳颗粒的冷冻电镜（Cryo-EM）结构分析。本研究将在前期工作基础上深入开展VZV衣壳颗粒的结构与组装基础研究，应用Cryo-EM技术获得VZV不同类型衣壳颗粒的高分辨率结构，阐明衣壳颗粒的精确结构特征和分子组成，揭示VZV衣壳组成蛋白之间的相互作用网络和影响衣壳组装的关键氨基酸和结构域，初步阐释VZV衣壳组装机制。本研究结果将有助于增进对VZV感染复制机制的认识，进一步丰富和完善疱疹病毒衣壳结构与组装的基础研究理论，为发展新型的抗病毒药物提供科学支持。

本研究按计划开展了水痘-带状疱疹病毒（VZV）衣壳结构与衣壳蛋白相互作用机制研究。VZV是导致水痘与带状疱疹的病原体，具有较严重的危害，仍缺乏针对性治疗药物。衣壳形成是病毒感染复制周期的必由步骤，也是发现抗病毒药物的良好靶标。然而，此前缺乏对VZV衣壳颗粒精确结构与衣壳蛋白相互作用机制的系统认识。本项目即针对上述问题开展了相关研究。本研究建立了优化的VZV衣壳颗粒的分离和纯化方法，发现VZV衣壳主要存在两种颗粒类型，分别为包含病毒基因组核酸的成熟衣壳（C型衣壳）与不含病毒核酸的空心衣壳（A型衣壳）。本研究应用Cryo-EM及局部重构等技术解析获得了VZV的C型和A型衣壳的近原子分辨率三维结构（分辨率分别为4.1Å和3.5Å），揭示了VZV两种衣壳颗粒的病毒蛋白组成和精确结构特征，发现了衣壳各成分蛋白间的相互作用结构域、关键氨基酸及相互作用方式。本研究发现VZV衣壳具有与其它疱疹病毒衣壳相似的整体特征，但具有许多区别于其它疱疹病毒的独特结构特征。本研究揭示了VZV衣壳组成蛋白之间的相互作用网络，阐释了衣壳颗粒的组装机制。基于上述发现，本研究发展了VZV重要衣壳蛋白和衣壳相关重要皮层蛋白的免疫检测方法，为新型水痘减毒活疫苗研究提供了重要支持。本研究相关成果已在Nature Microbiology等期刊发表4篇SCI论文和3篇中文论文，已申请1项中国发明专利，获得1项中国发明专利授权和1项美国发明专利授权，培养了2名博士研究生和5名硕士研究生。本研究成果填补了人类α疱疹病毒VZV衣壳结构信息的空白，丰富了人类疱疹病毒衣壳结构与组装的基础研究理论，可为进一步发展新型抗病毒药物和预防疫苗提供理论支持和科学依据。