中國科學院生物物理研究所饒子和/王祥喜團隊和哈爾濱獸醫研究所步志高團隊聯合上海科技大學、清華大學、中國科學院微生物研究所、中國科學院武漢病毒研究所、南開大學等單位,於2018年12月開始對非洲豬瘟病毒顆粒和相關抗原分子從基礎科研到臨床檢測以及高效疫苗多方面開展聯合攻關研究。北京時間2019年10月18日凌晨,饒子和/王祥喜團隊和步志高團隊合作在國際學術期刊 Science 上發表了題為 Architecture of African Swine Fever Virus and implications for viral assembly(非洲豬瘟病毒結構及裝配機制) 的學術論文。


嗯,是我院的成果。

科學家合力解析非洲豬瘟病毒顆粒精細三維結構 助力新型疫苗開發

非洲豬瘟是由非洲豬瘟病毒引起的家豬、野豬的一種急性、熱性、高度接觸性動物傳染病,所有品種和年齡的豬均可感染,發病率和死亡率高可達100%。非洲豬瘟病毒是一類古老的病毒,早在1921年在非洲肯亞首次發現,至今有約100年的歷史。近百年來,非洲豬瘟病毒從非洲傳播至歐洲、南美洲、亞洲等多個國家。世界動物衛生組織將其列為法定報告動物疫病,我國也將其列為一類動物疫病。

近一年來,非洲豬瘟病毒傳播速度明顯加快,呈現愈演愈烈趨勢,據國際動物健康組織通報數據顯示,2019年1月至2019年10月期間,曾爆發或者正在爆發非洲豬瘟疫情的國家有26個,包含13個歐洲國家、10個亞洲國家和3個非洲國家,其中亞洲幾個國家的疫情尤為嚴重。

我國是全世界最大的豬肉生產和消費國,生豬產業在國民經濟發展和人民群眾生活中具有不可替代的重要作用,2018年我國發現首例非洲豬瘟疫情,隨後病毒很快傳播到全國大部分地區,已經造成巨大的經濟損失。目前緊迫需要研發有效的疫苗和防疫手段,用於控制及預防非洲豬瘟疫情。做好非洲豬瘟病毒的基礎研究,做好非洲豬瘟的防控工作是我國傳染病相關領域科學家的一份責任與義務。

中國科學院生物物理研究所饒子和/王祥喜團隊和哈爾濱獸醫研究所步志高團隊聯合上海科技大學、清華大學、中國科學院微生物研究所、中國科學院武漢病毒研究所、南開大學等單位,於2018年12月開始對非洲豬瘟病毒顆粒和相關抗原分子從基礎科研到臨床檢測以及高效疫苗多方面開展聯合攻關研究。北京時間2019年10月18日凌晨,饒子和/王祥喜團隊和步志高團隊合作在國際學術期刊 Science 上發表了題為 Architecture of African Swine Fever Virus and implications for viral assembly(非洲豬瘟病毒結構及裝配機制) 的學術論文。

該研究成功分離出國內正在爆發的非洲豬瘟病毒流行株。研究人員在上海科技大學電鏡平台上連續進行了4個月高質量的數據收集,獲得了超過100 T的海量數據,採用單顆粒三維重構方法首次解析了非洲豬瘟病毒全顆粒的三維結構,闡明了非洲豬瘟病毒獨有的5層(外膜、衣殼、雙層內膜、核心殼層和基因組)結構特徵。研究發現,病毒顆粒包含3萬餘個蛋白亞基,組裝成直徑約為260納米的球形顆粒,是目前近原子解析度結構得到解析的最大病毒顆粒。

該研究新鑒定出非洲豬瘟病毒多種結構蛋白,搭建了主要衣殼蛋白p72等原子模型,揭示了非洲豬瘟病毒多種潛在的保護性抗原和關鍵抗原表位信息,闡述了結構蛋白複雜的排列方式和相互作用模式,提出了非洲豬瘟病毒可能的組裝機制,為揭示非洲豬瘟病毒入侵宿主細胞以及逃避和對抗宿主抗病毒免疫的機制提供了重要線索,為開發效果佳、安全性高的新型非洲豬瘟疫苗奠定了基礎。

圖1.非洲豬瘟病毒整體結構(左:5層切面圖;右:衣殼層整體結構)

圖2.2013年以來研究團隊解析了四類三十餘種全病毒原子解析度的結構,從結構比較中可以看到非洲豬瘟病毒(ASFV)是一個十分巨大、複雜的病原體

來源:中國科學院生物物理研究所


基礎科學領域的成就。

暑期全國病毒學年會期間就聽過饒院士的報告了。

直徑很大的病毒,結構解析比較困難,以前不可能實現的。在前幾年演算法突破之後就開始能來,世界上陸續解析了皰疹病毒等等結構,ASFV就是更大一點的。

不過目前來說對豬肉價格影響有限 。

對疫苗研發來說,推動作用也比較小。這是非常基礎的研究,意義很重大,但確實與目前國內疫情來說有點遠。

不過已經是非常大的進步了,畢竟,以前這病毒到底長啥樣都不知道。


專欄舊文一篇

Vigorous Cooler:非洲豬瘟來了,二師兄遭殃了?紅燒肉還能吃嗎?在線等?

zhuanlan.zhihu.com圖標


對吃肉群眾來說,「非洲豬瘟」是一種熟悉又陌生的病毒。說它熟悉,因為近一年來,我們經常能在各種「吃不起豬肉」的報道上見到它;說它陌生,是因為人們對它的了解依然很少,因此防控也就成了一大難題,截至目前,包括中國在內的全世界各國還沒有一個批准上市銷售使用的非洲豬瘟疫苗。

現在,大家終於知道它長什麼樣了。

中國科學院生物物理研究所饒子和/王祥喜團隊和哈爾濱獸醫研究所步志高團隊聯合上海科技大學、清華大學、微生物所、武漢病毒所、南開大學等單位聯合攻關研究,在不到1年的時間裡解析了非洲豬瘟病毒精細結構,為開發效果佳、安全性高的新型疫苗奠定了堅實基礎。10月18日凌晨(北京時間),相關論文在《Science》上發表。

新聞發布會現場(圖片來源:張文韜攝製)

《Architecture of African Swine Fever Virus and implications for viral assembly(非洲豬瘟病毒結構及裝配機制)》(圖片來源:https://science.sciencemag.org/content/early/2019/10/16/science.aaz1439.full)

非洲豬瘟為啥是世界性難題?

非洲豬瘟是家豬和野豬中發生的一種急性、熱性、高度接觸性動物傳染病,所有品種和年齡的豬均可感染,發病率和死亡率高可達100%,自1921年在肯亞被發現以來,迄今已成為全球性的豬養殖防治難題。世界動物衛生組織將其列為法定報告動物疫病,我國也將其列為一類動物疫病。

2010年8月26日,俄羅斯羅斯托夫地區,當地農場將患有非洲豬瘟的病豬屠宰後進行焚燒。總計大約1.45萬頭疫豬被宰殺。(圖片來源:騰訊大秦網)

為什麼快100年了,非洲豬瘟依然是世界性難題?

1.它有近百年流行史,難以控制。非洲豬瘟病毒(African swine fever virus,簡稱ASFV)從非洲傳播至歐洲、南美洲、亞洲等多個國家。

2.近一年來,非洲豬瘟病毒傳播速度明顯加快。據國際動物健康組織通報數據顯示,2019年1月至2019年10月期間,曾爆發或者正在爆發非洲豬瘟疫情的國家有26個,包含13個歐洲國家、10個亞洲國家和3個非洲國家,其中亞洲幾個國家的疫情尤為嚴重。

3.病毒的傳播能力和感染能力很強,而且結構穩定,在常溫下可以存活4個月。還有獨特的宿主和生態循環:野豬——軟蜱——家豬。加大了防空的難度。

4.科學家對非洲豬瘟病毒的了解非常匱乏,可以說還處於混沌的狀態:病毒與蛋白結構不明,病毒的生命周期未知,機體免疫應答機制不清,共進化規律未解,

知己知彼,百戰不殆,要想徹底解決這個世界性的大難題,就需要對非洲豬瘟病毒有更深入的了解,首先要知道病毒長什麼樣

解析目前最大病毒顆粒的結構

解析非洲豬瘟病毒結構,科學家採用的是冷凍電鏡重構方法,簡單地說就是「冷凍分子樣品——電鏡二維成像——軟體三維重構」。

但是這項工作的難度在於,非洲豬瘟病毒實在是太大了…

2013年以來研究團隊解析了四類三十餘種全病毒原子解析度的結構,從結構比較中可以看到非洲豬瘟病毒(ASFV)是一個十分巨大、複雜的病原體(圖片來源:研究團隊)

由於病毒顆粒大,研究團隊需要克服三個難題:在病毒純化時,病毒太大容易產生形變;數據收集是一個特別巨大的挑戰,每次鏡頭只能容下1到2個完整病毒顆粒,需要通過精挑細選才能獲得理想的電鏡圖片;三維重建時需要優化演算法,逐級放大。

經過聯合攻關,研究團隊成功分離出了國內正在爆發的非洲豬瘟病毒流行株,在電鏡平台上連續進行了四個月高質量的數據收集,獲得了超過100 T的海量數據,採用單顆粒三維重構的方法首次解析了非洲豬瘟病毒全顆粒的三維結構,闡明了非洲豬瘟病毒獨有的5層結構特徵,病毒顆粒包含3萬餘個蛋白亞基,組裝成直徑約為260納米的球形顆粒,是目前解析近原子解析度結構的最大病毒顆粒。病毒的結構達到了8.8 ?(長度單位:埃,1^10-10 m)的整體解析度,其中點解析度為0.1 ?,邊解析度為4.7 ?,面解析度為4.8 ?。

非洲豬瘟病毒的真面目

ASFV是一種多層包被結構,具雙鏈DNA的大型正二十面體病毒,直徑約260 納米, 有獨特的5層(外膜、衣殼、雙層內膜、核心殼層和基因組)結構特徵。其結構之精巧,正像是一個「俄羅斯套娃」,即像俄羅斯套娃一樣層層嵌套,外層衣殼保護著內層蛋白和核酸結構。

非洲豬瘟病毒多層結構信息(圖片來源:研究團隊)

該研究新鑒定出非洲豬瘟病毒多種結構蛋白,搭建了主要衣殼蛋白p72等原子模型,揭示了非洲豬瘟病毒多種潛在的保護性抗原和關鍵抗原表位信息。

比如:p72蛋白三聚體是代表性的表面蛋白之一,也是主要的保護性抗原位點,它由四個蛋白亞基ER1-ER4組成,這可能作為未來疫苗的開發靶點。p72的四個亞基在病毒表面的排列方式有所不同,具體有頭對頭、頭對尾、尾對尾三種結合方式,以適應不同條件下的需求。

圖註:非洲豬瘟病毒主要衣殼蛋白p72的三維結構(圖片來源:https://science.sciencemag.org/content/early/2019/10/16/science.aaz1439.full)

研究還闡述了結構蛋白複雜的排列方式和相互作用模式,提出了非洲豬瘟病毒可能的組裝機制,正如王祥喜研究員所說:「解析了病毒結構,不是對這個病毒認識的結束,而是有了一個新的開始。」

p72、p17和M1249L等蛋白組裝成完整的病毒(圖片來源:https://science.sciencemag.org/content/early/2019/10/16/science.aaz1439.full)

抗擊非洲豬瘟,科學家一直在路上

我們離戰勝非洲豬瘟還有多遠?步志高研究員表示:「從這個精細的結構上目前已經獲得一些線索,可以推動非洲豬瘟防控的相關技術和新型疫苗的研發。」的確,破譯病毒結構之後,科學家有望揭開非洲豬瘟具有特殊穩定性的奧秘,更有效地殺滅病毒;尋找到病毒的受體,開發相應的藥物和疫苗……

在發布會的現場,大院er聽到了研究團隊中的許多小故事:純化病毒時P4實驗室的24小時工作制、電鏡團隊沒休完婚假的年輕人、大年三十還在收集數據的堅守……饒子和院士把這些總結為:家國情懷。

我國是全世界最大的豬肉生產和消費國,生豬產業在國民經濟發展和人民群眾生活中具有不可替代的重要作用,做好非洲豬瘟病毒的基礎研究,做好非洲豬瘟的防控工作是我國傳染病相關領域科學家的一份責任與義務。解析了非洲豬瘟病毒精細結構,這是基礎研究領域的重大研究成果,也是饒子和院士領導的研究團隊繼2003年SARS後,又一次在關鍵時刻為國家疾病防控貢獻知識力量,更是基礎研究面向國家重大戰略需求的一個成功的範例。

出品:科學大院

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這個研究技術上很牛逼,主要體現在這個球賊大。

對造疫苗可能有點用,但是我估計就算有用處也不大。

相關:參與過五個在臨床實驗中的新疫苗的研發,包括過氣網紅寨卡。

非洲豬瘟不好做疫苗最核心的問題是它蛋白質太tm多了,這一個病毒有170多個蛋白,想全做出來那絕對是產能災難,現在問題是怎麼做出來一個有同樣免疫原性但是沒有感染性的簡化版。

換言之,你光知道這個球長啥樣沒用,知道的很精細也沒用,你的弄明白這個球里留下哪些以後免疫系統覺得它還和原來長得差不多卻沒有感染性。

這一步得看生物狗去慢慢試,相對於知道這個球的低分辨結構,知道這個球的精細結構可能有幫助,但是不會太多,除非這個球有什麼特別奇葩的組裝方式,文章里我是沒看到。

類似長度的的CMV230kb(非洲豬瘟是190kb)也有200多個ORF,最後能把需要表達的蛋白壓縮進個位數,這在2017年它的精細結構出來之前就知道了。

順便說一句,這種文章基本穩定science,但是很容易被scoop…


這個病毒真的好大。粗讀了一下文章,病毒有5層,其中衣殼(capsid)這一層就有接近2萬個蛋白質。如果能做這個東西的all-atom simulation(精確到每個原子的模擬), 那真的非常牛了,絕對會刷新原子級別模擬大分子的記錄(千萬量級的原子)。稍微查了一下文獻,目前all-atom virus simulation最大做過HIV 的衣殼。和這個病毒相比還是小了。所以猜測也許過一段時間會有研究組做這個體系的all-atom virus simulation來破紀錄再發一篇大文章(如果有合適的超算資源的話)。

all-atom virus simulation目測現在做的還不多,如果技術成熟,將來有可能實現基於模擬的抗病毒藥物/疫苗研發,來輔助生物實驗。但是這麼大的體系,以當今算力,燒那麼多cpu hour,費用不一定比人力便宜。。。。

參考文獻:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6456034/?

www.ncbi.nlm.nih.gov圖標

All-Atom Virus Simulations

All-Atom Virus Simulations?

www.ncbi.nlm.nih.gov圖標


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