为了使病毒繁殖，它们通常需要它们感染的细胞的支持。在许多情况下，只有在宿主的细胞核中才能找到感染其他细胞之前可以繁殖其遗传物质的机器，酶和构件。但是，并非所有病毒都能进入细胞核。一些保留在细胞质中，因此必须能够独立繁殖其遗传物质。为此，他们必须带上自己的“机加工厂”。在此过程中的关键作用是由各种亚基组成的特殊酶：RNA聚合酶。该复合体从病毒基因组中读取遗传信息，并将其转录为信使RNA(mRNA)，作为基因组中编码蛋白质的蓝图。

维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安斯大学生物中心的科学家和哥廷根的马克斯·普朗克生物化学研究所(MPI)的科学家现在首次成功地解决了牛痘病毒 RNA聚合酶的三维结构解析度。牛痘病毒属于痘病毒家族，是对人体无害，并形成所有天花疫苗的基础。由于其良性，目前已针对溶瘤病毒疗法进行了测试，这是一种抗癌新策略。

JMU维尔茨堡大学第一生物化学系主任Utz Fischer和生物物理化学MPI分子生物学系主任兼负责人Patrick Cramer负责这项工作。他们现在在Cell杂志上的两个同时出版的出版物中介绍了他们的合作成果。

分子钳将所有东西结合在一起

Fischer解释说：“痘苗病毒RNA聚合酶基本上以两种形式存在：实际的核心酶和更大的复合物，由于各种附加的亚基，它们具有特殊的功能。” 核心酶在很大程度上类似于另一种已知的酶，长期以来一直是Cramer部门的重点：细胞RNA聚合酶II。这是在细胞核中找到的，在那里它读取基因组上的信息并将其转录成mRNA。Fischer将牛痘RNA聚合酶的第二种复合物称为“全能者”。它由许多亚基组成，可以完成病毒的整个转录过程，从而使病原体的繁殖迈出了重要的一步。

牛痘病毒RNA聚合酶的三维结构在原子分辨率下。图片来源：Clemens Grimm

该复合物由病毒从其宿主细胞中借出的一种分子结合在一起：所谓的转移RNA(tRNA)。这种类型的分子通常在转录中不起作用，但是提供了氨基酸构件用于蛋白质生产。结构生物学家克莱门斯·格里姆(Clemens Grimm)说，“如果没有宿主tRNA的参与，这种庞大的机器及其所有特定的亚基就会崩溃”，他与MPI的Hauke Hillen一起进行了结构分析。研究人员怀疑，tRNA分子除了具有连接功能外，还执行了另一项重要任务。这项研究的共同作者兼癌症负责人阿拉达德·萨莱(Aladar Szalay)解释说：“该tRNA只能装载谷氨酰胺，谷氨酰胺不仅是蛋白质生产所必需的氨基酸，而且是细胞的重要能量和氮源。” JMU的治疗研究中心(CTRC)。由于该病毒依靠氮来复制，tRNA可以充当传感器，为病毒提供有关宿主细胞中当前氮含量的信息。如果氮水平降至一定值以下，则可能是病毒尽快离开宿主的信号。但这到目前为止只是一个假设。

为了了解病毒RNA聚合酶的工作原理，研究人员还确定了其在不同转录步骤中的三维结构。有了这些新发现，现在就可以从结构的角度了解病毒繁殖的整个过程。就像在电影中一样，可以追踪这种分子机器在原子水平上的功能以及如何编排各个过程。“令人惊奇的是，机器的构件在转录开始后如何重新排列以驱动RNA产物的合成-这种复合物确实非常动态，” Hillen解释说。为了获得这种见解，生物化学家和结构生物学家必须紧密合作：JMU的生物化学家Julia Bartuli和Kristina Bedenk在长达一年的过程中对聚合酶复合物及其所有相互作用成分进行了纯化和生物化学表征。然后，结构生物学家Grimm和Hillen负责确定三维结构。

超级显微镜提供必要的数据

研究人员从近年来对结构分析产生革命性影响的设备中获得了数据：最新一代的冷冻电子显微镜，它们已在JMU和MPI上运行。它具有300,000伏特的电压，可通过冷却至负180摄氏度的样品向电子发射，从而提供分辨率在原子量级范围内的图像。显微镜使研究生物分子和复合物以及重建其三维结构成为可能。

在大约六个月的时间里，Grimm和Hillen不得不使用计算机，直到他们从数TB的数据中开发了聚合酶复合物的空间模型。格里姆说：“如果没有我们机构的新型冷冻显微镜以及这两个小组之间的出色合作，就不可能如此迅速，如此优质地进行。” 有了3-D眼镜，每个人现在都可以在空间上可视化该复合物，将其任意旋转并将其分解为子单元。

除其他外，新发现现在提供了开发抑制剂和调节剂以影响病毒繁殖周期的可能性。由于牛痘菌复制发生在细胞质中，因此科学家们还希望它具有治疗潜力。当前，全世界正在开展研究，其中使用痘苗病毒来对抗癌症。也参与了这项研究的Genelux公司已经在动物实验和患者中证明了经过特殊优化的牛痘病毒在缩小肿瘤和检测最小转移灶方面的潜力。此外，研究人员期望对相关的非病毒RNA聚合酶复合物的功能有新的令人兴奋的见解。