II型DNA拓扑异构酶是一种普遍存在的酶，在调控双链DNA的拓扑结构中起着关键作用，参与了一系列最基本的DNA代谢过程，包括DNA复制、转录及重组等，并在原核和真核生物中得到了广泛的研究--它们被分类为IIA型（包括gyrase，topo IV和topo II）和IIB型（topo VI），虽然两类的结构不同，催化机制却是相似的--通过切割"G-segment"DNA，使"T-segment"DNA穿过切口从而解决DNA的拓扑结构问题。靶向II型DNA拓扑异构酶的多种药物已作为抗菌（如安吖啶）和抗癌（依托泊苷）的理想策略。然而，对于由病毒编码的II型DNA拓扑异构酶（包括NCLDV家族以及噬菌体等）的研究仍然很有限。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，近年来对世界各地的生猪养殖业造成了严重危害，至今仍缺少安全有效的上市疫苗与药物，对其编码的II型DNA拓扑异构酶pP1192R的研究有利于为抗非洲猪瘟药物开发提供重要的理论依据。

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《Nature Communications》杂志在线发表了题为"Structural insights into the DNA topoisomerase II of the African swine fever virus"的研究论文，该研究利用多种实验手段，包括单颗粒冷冻电镜、X射线晶体学、生化实验等首次解析了由非洲猪瘟病毒编码的全长II型DNA拓扑异构酶pP1192R结合核酸的多构象动态复合物结构，并验证了其体外酶活，结合原子力显微镜成像和分子对接，揭示了该蛋白结合DNA crossover的倾向性以及潜在结合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，为减轻非洲猪瘟病毒的影响提供了潜在的干预策略。

首先，该研究获得了三种不同构象的pP1192R蛋白的高分辨结构，展示了该蛋白中心结构域不同的开口方向。接着，研究组通过加入特定的核酸分子，样品优化等，克服了N端ATPase结构域不稳定的难题，成功捕获了结合线性DNA的全长蛋白复合物结构，值得一提的是，N端的ATPase结构域有不同的取向，暗示了其发挥功能时的高度动态变化。捕获的复合物结构显示，DNA双链被显著弯曲，并使其"B-form"的构型局部变成"A-form"。多个保守的结构域均参与了与核酸的相互作用，与apo状态的蛋白相比，结合DNA后，这些结构域发生了显著的位移，使活性中心更靠近DNA，为切割DNA做好准备。

图：ASFV pP1192R蛋白结合DNA的全长冷冻电镜结构和N端ATPase结构域晶体结构

此外，研究组利用原子力显微镜成像直接观察到了该蛋白结合质粒DNA crossover的图像，证明了这一结合特性。最后，利用分子对接，研究组dock了两种不同类型的II型DNA拓扑异构酶抑制剂，作为潜在的药物设计起点。

综上所述，该研究通过多种实验手段较为全面地探究了由病毒编码的II型DNA拓扑异构酶的结构与功能，完善了病毒领域该酶的具体机制，并提供了潜在的抑制剂设计策略，为非洲猪瘟疫情的防控奠定理论基础。

中国科学院生物物理研究所饶子和院士、李雪梅研究员、陈瑜涛副研究员为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静媛、辛煜辉为论文的共同第一作者。此外，清华大学博士后康惠玲、王辰龙，生物物理研究所博士生杨蕴格以及哈尔滨兽医研究所赵东明研究员也参与了本研究。

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委的资助。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、中国科学院过程与工程研究所公共技术中心分别为冷冻电镜数据收集和原子力显微镜成像提供了技术支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49047-w