II 型 DNA 拓扑异构酶：结构、催化机制及药物靶向研究

II 型 DNA 拓扑异构酶：结构、催化机制及药物靶向研究

II型DNA拓扑异构酶是一种普遍存在的酶，在调控双链DNA拓扑结构中起关键作用，参与DNA复制、转录和重组等一系列基本DNA代谢过程，在原核生物和真核生物中得到广泛研究。其分为IIA型（包括拓扑异构酶IV和拓扑异构酶II）和IIB型（拓扑异构酶VI）。两型虽然结构不同，但催化机制相似——通过切割“G-”DNA，“T-”DNA通过切口，解决DNA的拓扑结构问题。多种针对II型DNA拓扑异构酶的药物已被用作抗菌（如安吖啶）和抗癌（依托泊苷）的理想策略。然而，对病毒（包括NCLDV家族和噬菌体等）编码的II型DNA拓扑异构酶的研究仍然有限。 一个有趣的例子是非洲猪瘟病毒，它是唯一一种编码II型DNA拓扑异构酶的哺乳动物感染病毒，近年来给全球养猪业造成了严重破坏，至今市场上仍缺乏安全有效的疫苗和药物，对其编码的II型DNA拓扑异构酶的研究将有助于为抗非洲猪瘟药物研发提供重要的理论基础。

2024年5月30日，中国科学院生物物理研究所饶子和研究组在《走进猪瘟病毒的DNA II》期刊在线发表了题为《走进猪瘟病毒的DNA II》的研究论文。该研究利用单颗粒低温电子显微镜、X射线晶体学和生化实验等多种实验方法，首次解析了非洲猪瘟病毒编码的全长II型DNA拓扑异构酶与核酸结合的多构象动态复合物结构，验证了其体外酶活性。结合原子力显微镜成像和分子对接，揭示了该蛋白与DNA结合的倾向和潜在的小分子药物抑制剂。该研究阐明了病毒II型DNA拓扑异构酶的基本机制，并为减轻非洲猪瘟病毒的影响提供了潜在的干预策略。

研究首先获得了三种不同构象下蛋白质的高分辨率结构，显示了蛋白质中心结构域的不同打开方向。随后，研究团队通过添加特定核酸分子、优化样品等方式克服了N端结构域不稳定的问题，成功捕获了全长蛋白质复合物与线性DNA结合的结构。值得一提的是，N端结构域具有不同的取向，表明其在发挥功能时会发生高度动态的变化。捕获的复合物结构显示DNA双螺旋发生明显弯曲，其“B型”构型部分转变为“A型”。多个保守结构域参与与核酸的相互作用。与apo状态下的蛋白质相比，这些结构域在与DNA结合后发生明显位移，使活性中心更靠近DNA，为DNA切割做好准备。

图：ASFV 蛋白与 DNA 结合的全长低温电子显微镜结构和 N 端结构域的晶体结构

此外，研究团队利用原子力显微镜成像技术直接观察到蛋白质与质粒DNA的结合，证明了这种结合特性。最后，研究团队利用分子对接，对两种不同类型的II型DNA拓扑异构酶抑制剂进行了对接，作为药物设计的潜在起点。

综上所述，本研究通过多种实验方法全面探究了病毒编码的II型DNA拓扑异构酶的结构与功能，完善了该酶在病毒领域的具体作用机制，并提供了潜在的抑制剂设计策略，为非洲猪瘟的防控奠定了理论基础。

中国科学院生物物理研究所饶子和院士、李雪梅研究员、陈玉涛副研究员为该论文的共同通讯作者，中国科学院生物物理研究所博士生丛敬远、辛宇辉为该论文的共同第一作者。此外，清华大学博士后康慧玲、王晨龙，生物物理研究所博士生杨云阁，哈尔滨兽医研究所赵东明研究员也参与了这项研究。

该研究得到中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金的资助，中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心和中国科学院过程工程研究所公共技术中心分别对低温电镜数据采集和原子力显微镜成像提供了技术支持。

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（来源：饶子和课题组）