研究人员现在了解了一类新型抗病毒药物的工作原理
概要：
- 研究揭示了关于一类新型抗病毒药物如何发挥作用的关键见解。
- 冷冻电子显微镜图像显示，这些药物以近乎原子级的细节与单纯疱疹病毒（HSV）蛋白结合，而光镊实验则展示了药物结合蛋白在实时中的行为。
- 这些发现可能为疱疹病毒和其他DNA病毒的额外药物打开大门。
哈佛医学院的研究人员已经揭开了关于一类新兴抗病毒药物如何发挥作用的关键见解。
这一发现揭示了对抗单纯疱疹病毒（HSV）耐药菌株的一个重要工具，并指出了治疗疱疹病毒和其他类型的DNA病毒（那些以DNA为遗传物质并在宿主细胞内复制的病毒）的新途径。
这项联邦资助的研究于12月29日在《细胞》杂志上发表。
作为布莱根妇女医院的传染病医生，该研究的共同资深作者乔纳森·亚伯拉罕（Jonathan Abraham）已经看到许多免疫系统受损的患者发展出危险的耐药性HSV感染。这种耐药性会在病毒反复用同一种抗病毒药物治疗时产生。
但亚伯拉罕也是哈佛医学院Blavatnik研究所的微生物学副教授，他研究病毒的物理结构如何影响感染、疾病和免疫反应——这使他能够独特地研究并找到解决这一问题的方法。
"作为一名临床医生，当医学能够治愈患者的癌症，但患者需要免疫抑制，这使他们容易感染一种对我们拥有的最佳药物没有反应的病毒时，这是令人沮丧的，"亚伯拉罕说。"作为一名研究人员，这激励我尽可能多地了解病毒的工作原理，以便我们能够继续为感染耐药病毒株的人们找到更好的选择。"
一类新型抗病毒药物的成员正在美国的临床试验中进行测试，其中一种已获得日本的批准，但这些新兴药物如何发挥作用在很大程度上是未知的。亚伯拉罕和他的同事们试图揭开其中的一些秘密。
亚伯拉罕与共同资深作者、哈佛医学院生物化学和分子药理学教授约瑟夫·洛帕罗（Joseph Loparo）合作，利用结构生物学和成像技术的进展，探索这些新药物如何结合并使HSV生命周期中的关键酶失活的生物物理机制。
亚伯拉罕的实验室专注于揭示药物如何锁定病毒蛋白的结构细节，而洛帕罗的实验室则致力于捕捉结合过程如何阻止病毒蛋白的实时细节。
"这项研究的一个真正优势是将抑制剂结合的病毒蛋白的高分辨率、原子级图像与病毒蛋白在行动中的实时成像相结合，"洛帕罗说。
单纯疱疹病毒是一种危险而顽固的敌人
疱疹病毒可以引起水痘、带状疱疹和传染性单核细胞增多症等感染；与癌症、自身免疫疾病和其他疾病有关；并且往往终身处于潜伏状态。其中，HSV-1通常因引起唇疱疹而闻名，但也可导致健康成年人的严重脑部感染以及免疫功能低下者的严重疾病。
目前美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于HSV-1的抗病毒药物主要针对病毒的DNA聚合酶，这是一种复制病毒基因组的蛋白质。然而，已经出现了对这些药物具有耐药性的病毒株。
替代药物已经在开发中，包括一类被称为解旋酶-引器酶抑制剂，或HPIs。这些靶向病毒解旋酶-引物酶，这是一种与聚合酶一样对疱疹病毒复制自身至关重要的酶。
病毒解旋酶解开病毒基因组，沿着DNA行进并解开交织的DNA链，将其转化为单链DNA。这暴露了基因组中编码的信息，以便聚合酶可以复制它。
与此同时，病毒引物酶触发RNA分子的创建，该RNA分子作为新基因组副本附着的起点，就像夹克拉链底部的部件，允许滑块与拉链齿啮合。
HPIs干扰这些操作以停止复制过程。
高分辨率图像
到目前为止，还没有研究能够揭示HSV酶（如解旋酶-引物酶）的结构。原因之一是它们非常不稳定，不断移动和改变形状。一种有效的抑制剂——HPI药物——的存在现在允许科学家将酶锁定成单一的静态形式，以便成像。亚伯拉罕和他的同事们表示，如果没有它，他们的发现是不可能的。
该团队使用冷冻电子显微镜（cryo-EM）在近原子分辨率下可视化HSV-1解旋酶-引物酶与几种抑制剂结合时的物理结构。
研究人员还使用冷冻电子显微镜来可视化病毒解旋酶-引物酶在DNA复制过程中如何与病毒聚合酶相互作用。这种更大复合体的结构可能通过揭示潜在药物可以结合并干扰复制的位置的物理和化学特性，帮助识别新的药物靶点。
冷冻电子显微镜数据是在哈佛医学院结构生物学冷冻电子显微镜中心收集的。
冷冻电子显微镜图像显示解旋酶-引物酶在DNA复制过程中如何与病毒聚合酶相互作用。图片：亚伯拉罕实验室
从静态图像到动态画面
冷冻电子显微镜图像是一个详细的快照，显示了药物与酶精确互锁的位置和方式，以及如何阻止病毒制造新的副本。但为了更详细地了解抑制剂的功能，该团队希望看到分子的实际运作情况。
为此，研究人员使用一种称为光镊的工具进行了实验。
光镊利用高度聚焦激光的光子动量来操控粒子，就像科幻小说中的牵引光束，但规模要小得多。
研究人员使用光镊将一段配备了解旋酶-引物酶的病毒DNA悬浮在两个微珠之间。他们观察了酶的工作过程，然后研究了当他们引入微量抑制剂药物时会发生什么。该团队能够观察到单个解旋酶分子解开DNA双螺旋的过程，并且还能看到药物何时停止了这一过程。
"像光镊这样的最新一代成像工具，为科学家提供了前所未有的能力，可以看到生命过程如何在单分子水平上运作，"洛帕罗说。"在这种情况下，我们能够实时看到抑制剂如何使解旋酶的马达卡住并导致其停止。"
研究人员表示，这些新见解激发了希望，希望他们的工作能够推动抗病毒药物的进一步开发，并继续提供更深入的知识，这将在不久的将来使医生能够利用生命机制为世界各地的人们带来更好的健康。
作者信息、资金支持和披露
余子硕（Zishuo Yu）和Pradeep Sathyanarayana是该研究的共同第一作者。其他作者包括刘聪（Cong Liu）、Joel M.J. Tan、杨攀（Pan Yang）、Biswajit Das、胡思德（Side Hu）、范晓艺（Xiaoyi Fan）、Ji Chenggong、Sandra K. Weller、Mrinal Shekhar、Donald M. Coen和Philip J. Kranzusch。
这项工作得到了美国国立卫生研究院（资助号R21AI141940、R01AI019838、R01AI021747和R01CA272436）、Burroughs Wellcome Fund PATH项目、癌症研究所和Broad研究所传染病综合解决方案中心（CISID）的支持。亚伯拉罕是霍华德·休斯医学研究所的研究员。
Weller是Quercus Molecular Design的联合创始人。
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