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水稻矮缩病，是一种东南亚水稻的疾病，在我国主要分布在南方稻区。水稻在苗期至分蘖期感病后，植株矮缩，分蘖增多，叶片浓绿，僵直，生长后期病稻不能抽穗结实。水稻矮缩病毒（Rice dwarf virus, RDV）是一种主要病原体，其传播会对经济造成严重后果。RDV属于Reoviridae家族，通过叶蝉传播给易感植物物种，在宿主和媒介中复制。Reoviridae家族的病毒包括植物、昆虫和动物的寄主，它们共享一种复制机制，但在结构组织上有很大的差异。
为初步了解RDV的蛋白质结构，周正洪教授团队及其合作者于2001年在Nature上发表了文章“Electron cryomicroscopy and bioinformatics suggest protein fold models for rice dwarf virus”，利用冷冻电镜和生物信息学方法推测水稻矮缩病毒的蛋白质折叠模型。通过单颗粒冷冻电子断层扫描技术，在6.8 Å分辨率下解析了水稻矮缩病毒的三维结构。
一、 外衣壳与P8模型
RDV的外壳由P8蛋白组成，以T=13l二十面体晶格排列，每个外壳包含5种独特的三聚体（P、Q、R、S和T）。
P8亚基的结构：
两域结构：P8亚基由上、下两个域组成，这两个域沿三重轴扭转约60°。
螺旋域：下域主要由9个螺旋组成，这些螺旋的长度和连接方式与BTV VP7蛋白中的螺旋相似。
β折叠域：上域主要由连续的密度组成，类似于β折叠结构。预测显示，该区域与BTV VP7蛋白中的β三明治结构域结构相似。
独特的特征：P8上域的最外部分与BTV VP7蛋白序列存在差异，这可能与特定的宿主细胞受体识别、结合和/或进入有关。
P8亚基的排列：
P8三聚体以T=13l二十面体晶格排列，形成RDV的外壳。
与BTV VP7蛋白不同，RDV P8三聚体的顶部形成一个漏斗形开口，这可能有助于亚基之间的相互作用，从而保持衣壳的稳定性，同时保持与宿主受体的必需表面接触。
外衣壳与宿主特异性：
P8蛋白的序列和结构差异可能与RDV的宿主特异性有关。
图1：外壳蛋白P8的折叠模型
二、内衣壳与P3模型
RDV的内壳由P3蛋白组成，以T=1二十面体晶格排列，每个内壳包含60个P3二聚体。
P3亚基的结构：
三域结构：P3亚基可以划分为三个域：顶域、甲壳域和二聚化域。
螺旋结构：每个P3亚基中，HELIXHUNTER识别出28个螺旋，这些螺旋的长度和位置与BTV VP3和动物呼肠孤病毒核心蛋白中的螺旋相似。
β折叠结构：P3亚基的甲壳域和二聚化域中存在β折叠结构。
差异性：P3A和P3B亚基在顶域和甲壳域中存在细微的差异性，这可能与其不同的功能和结构角色有关。
P3亚基的功能：
顶域可能参与新合成mRNA的转录和排出，这是一个在许多双链RNA病毒中发生的常见过程。
甲壳域和二聚化域负责维持内壳的稳定性和形状。
内衣壳与外衣壳的相互作用：
内壳和外壳之间存在着重要的相互作用，这些相互作用有助于维持RDV衣壳的稳定性和形状。
P8蛋白与P3蛋白之间的接触位点主要集中在P8蛋白的螺旋2和螺旋3上，但在P3蛋白中更为广泛。
P3A和P3B亚基与P8蛋白的相互作用是非等效的，但具有特异性，这有助于维持T=1内壳和T=13l外壳之间独特的稳定几何关系。
图2:内科蛋白P3的折叠模型
三、对称不匹配
DV的内外壳之间存在对称不匹配，导致P3和P8蛋白之间的相互作用是非等效的，但具有特异性。
主要特征：
P3二聚体和P8三聚体在其各自的外壳中都没有广泛的接触。
每个P8三聚体与多个P3二聚体接触，而每个P3二聚体只与一个P8三聚体接触。
P3和P8蛋白之间的接触位点主要位于P8蛋白的螺旋2和螺旋3上，但在P3蛋白中更为广泛。
P3A和P3B亚基与P8蛋白的相互作用是非等效的，但具有特异性。
影响：
对称不匹配有助于维持RDV衣壳的稳定性和形状。
非等效但具有特异性的相互作用有助于维持T=1内壳和T=13l外壳之间独特的稳定几何关系，从而在RNA复制和释放过程中保持衣壳的稳定性。
图3：壳之间的分子相互作用
总结
RDV衣壳蛋白的高分辨率模型表明，尽管序列差异很大，但不同病毒家族成员的衣壳蛋白折叠模式相似。
这种结构相似性表明，这些病毒可能从共同祖先中分化而来，以适应不同的宿主和环境。
通过保持相似的衣壳结构和蛋白结构，可以维持衣壳稳定性所必需的特异性相互作用，而外壳蛋白之间的结构差异可能在感染过程中赋予宿主特异性。
RDV结构的研究证明了冷冻电镜与生物信息学工具的整合，可以用来确定大型组装中分子成分的高分辨率模型，而无需晶体。
这种集成方法可以应用于其他大型生物机器。
由此可见，冷冻电镜技术在病毒结构研究中发挥着十分重要的作用，尤其是在缺乏晶体结构的情况下。随着冷冻电镜技术的不断发展，其分辨率和解析能力不断提高，这将为病毒结构研究带来更多可能性。中科微未团队在生物大分子三维结构解析方面技术成熟、经验丰富，能够在原子级分辨率解析多种生物大分子材料的三维结构。我们致力于为药企和高校医院科研工作者提供一站式、自动化、原子级分辨率的结构解析服务，助力创新药物研发和科研成果转化，帮助科研人员实现“原子结构自由”。
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