2024年09月22日
香港大學李嘉誠醫學院（港大醫學院）科研團隊在研究冠狀病毒複製機制上取得重大突破：研究揭示病毒雙層膜囊泡（double-membrane vesicles或簡稱DMV）孔複合物的特殊結構在促進病毒RNA進入宿主細胞發揮的作用。研究人員解析協助病毒 RNA 轉運的新型冠狀病毒（ SARS-CoV-2）孔複合物的分子結構，有助開發新型抗病毒策略以抑制新型冠狀病毒和其他冠狀病毒。研究結果已於國際頂尖科學雜誌《自然》發表（按此瀏覽期刊文章） 。
背景
過去20年，冠狀病毒引發多次嚴重疫情，如沙士、中東呼吸綜合症和2019冠狀病毒，對全球健康和經濟造成重大影響。因此有必要從分子層面對冠狀病毒的生命周期，尤其針對其複製機制，進行深入研究。冠狀病毒屬於正單鏈RNA病毒，能夠在宿主細胞內重塑細胞膜，形成雙層膜囊泡，對病毒RNA的合成和複製至關重要。冠狀病毒能夠在這種雙層膜囊泡結構內富集其RNA複製所需的複製因子，保護病毒RNA不受宿主細胞免疫防禦系統的識別和影響。
最近的國際研究發現，在感染新型冠狀病毒細胞中的DMV上存在孔複合體，它可能有助於轉運新合成的病毒RNA，從而協助進一步合成新的病毒顆粒。然而，對病毒複製過程中的DMV孔複合體的形成和作用機制了解甚少，亟需進行深入研究，從而制定高效應對冠狀病毒感染的策略。
研究方法及結果
過去兩年，由港大醫學院生物醫學學院倪濤教授和臨床醫學院微生物學系袁碩峰教授領導的研究團隊，結合現代結構生物學和分子病毒學方法，揭示冠狀病毒DMV細胞器上RNA轉運複合體的結構和功能。研究團隊從人類胚胎腎臟293F細胞系中產生並成功在體外純化出DMV，利用低溫電子斷層掃描技術（cryo-ET）以及高分辨率成像和數據處理技術（subtomogram averaging），揭示由新型冠狀病毒兩種非結構蛋白nsp3和nsp4形成的孔複合物的分子結構。
該研究揭示了DMV孔複合物的組成和排列，它由含有各12個拷貝的nsp3和nsp4分子組成，形成由四個同心堆疊的六聚體環，結構類似於微型核孔複合物。此外，由帶正電荷的精氨酸殘基組成的中心環可促進RNA病毒的轉運，是病毒複製的必要條件。這些nsp3-4孔複合物的高分辨率結構解決一個長期以來關於DMV孔內nsp3和nsp4的數量和排列的疑問，揭示了複製細胞器膜的彎曲和DMV孔形成的途徑，為後續剖析病毒基因組複製和轉運的整個過程奠定基礎。
研究意義
DMV 孔複合物是目前唯一獲證實的RNA 病毒運輸通道，對於病毒複製至關重要。此外，它也是迄今為止唯一被解析的高分辨率DMV孔複合物結構。干擾DMV孔的形成及其轉運病毒RNA的能力是一種抑制病毒的新方法。透過阻斷DMV孔的形成和功能，有助理性設計針對新型冠狀病毒和其他冠狀病毒新的抗病毒策略，從而擴大潛在治療靶點的範圍。
倪濤教授對這一研究成果深表興奮：「自從2003年沙士爆發以來，冠狀病毒複製細胞器（DMV）和病毒RNA轉運機制的研究一直是這一領域的重點。過去20年，科研人員對DMV孔複合物中許多單個成分的研究已經取得重大進展。然而，這些成分是如何組裝成一個功能性完整的病毒轉運孔一直是個未知數。在港大醫學院新成立的李嘉誠低溫電子顯微設施實驗室的先進電子顯微鏡技術協助下，我們成功解析了冠狀病毒DMV孔複合物的高分辨率分子結構。」
倪濤教授及其團隊開發的實驗方法展示了低溫電子顯微鏡和子斷層圖平均法在研究類似真實環境下病毒複製系統的能力。分離出的冠狀病毒DMV為研究病毒複製機制提供了近乎原子級別的清晰圖像。這項研究將為未來全面了解病毒複製和轉錄的複雜過程（包括DMV孔複合物和RNA複製和轉錄機制）奠定了基礎。
研究團隊
港大醫學院研究團隊由生物醫學學院助理教授倪濤教授領導，並與臨床醫學院微生物學系助理教授袁碩峰教授合作；其他團隊成員包括生物醫學學院博士研究生黃亦馨、臨床醫學院微生物學系王同雲博士、生物醫學學院鍾理捷、張文欣博士和張煜；以及香港理工大學的于秀蓮教授。研究團隊詳情：https://www.tni-lab.org/。
鳴謝
低溫電子斷層掃描數據的收集是於港大醫學院泛組學科研中心（CPOS）的李嘉誠低溫電子顯微鏡實驗室進行。本研究得到香港研究資助局（研資局）「傑出青年學者計劃」、廣東省自然科學基金、國家自然科學基金、國家自然科學基金/研資局聯合研究計劃和研資局合作研究基金的資助。
有關李嘉誠低溫電子顯微設施實驗室
港大醫學院的李嘉誠低溫電子顯微設施實驗室為結構生物學研究領導者，備有香港最先進的儀器。自2023年8月試行運作以來，該實驗室已吸引來自超過25個研究小組的60多名用戶，進行了40多個科研項目，涵蓋單顆粒分析、斷層掃描、蛋白質-蛋白質相互作用、蛋白質基因複合物、病毒結構、細菌和小分子研究等。
實驗室配備了Krios 300千伏低溫透射電子顯微鏡、Glacios 200千伏低溫透射電子顯微鏡、Aquilos 聚焦離子束低溫掃描電子顯微鏡和Talos 120千伏透射電子顯微鏡等先進儀器，讓研究人員能夠以接近原子解析度探索生物樣本的分子世界，並提供先進的冷凍樣本設備和用於優化樣本品質的儀器，以支持高質量的結構生物學研究。
此外，實驗室還致力於促進協作研究氛圍，積極舉辦多元化培訓課程和研討會，並推廣以低溫電子顯微技術進行科學探究，推動結構生物學及各科研的未來方向。
