基于冷冻电镜二十面体对称失配三维重构的腺病毒结构研究

As one of model systems for understanding complex virus structure and assembly, the capsid of adenovirus has been resolved to near-atomic resolution, and the full-atomic model of capsid provides wealthy structural information for adenovirus research. However, the three-dimensional (3D) structures of genome and association proteins within its capsid so far evaded determination due to the icosahedral-symmetry imposed during the data processing of 3D reconstruction. In this project proposal, we present a new method for symmetry-mismatch reconstruction based on cryo-electron microscopy single particle. The basic idea of this new method is as follow: firstly, we obtain the 3D structure by the icosahedral reconstruction; then, for each two-dimensional raw particle image, we extract the no-icosahedral symmetry signal by the use of the known capsid structure; lastly, we perform no-symmetry image process to obtain no-icosahedral structure. Using this new method, we will resolve the structures of no-icosahedral symmetry genome and association protein within adenovirus capsid, and elucidate the mechanism for dsDNA assembly and disassembly. The goals of this project proposal are to provide the comprehensive structural information for the human adenovirus, and to provide a general solution for the genome structure resolving within virus capsid, and this method can be extend to other symmetry-mismatch reconstruction of molecules.

腺病毒作为复杂病毒结构及组装研究的一种模式生物系统，其衣壳蛋白已经被重构到了近原子分辨，并有了全原子结构模型。然而，我们对腺病毒衣壳内部的基因组及其相关蛋白的三维结构却依然知之甚少，究其原因主要是在三维重构过程中利用了二十面体的60次对称，从而导致非二十面体对称信息的丢失。本项目提出了一种基于冷冻电镜单颗粒技术的对称失配三维重构方法，利用已求解的衣壳结构，在原始二维显微图像中分离出非二十面体对称部分的信息，通过对其处理获得非二十面体对称部分的三维结构；利用本方法深入研究人类腺病毒结构，求解其衣壳内部非二十面体对称的基因组及相关蛋白的三维结构，从而阐明腺病毒DNA的包装和释放机制。本项目的研究不仅能为腺病毒研究提供更全面的结构信息，更重要的是提供一种求解病毒内部基因组三维结构的通用解决方案，同时这一方法可以扩展到其他对称失配生物大分子及其复合物的结构研究。

多数病毒颗粒由一个二十面体对称的衣壳及衣壳内部非对称的基因组及相关蛋白组成，冷冻电镜三维重构能充分利用其高对称性进行平均，从而更好地抑制噪声提高重构分辨率，然而，二十面体平均会导致非对称的结构信息完全丢失。自上世纪60年代开始利用电子显微学方法研究病毒三维结构，50多年来绝大多数研究仅限于其外部衣壳，对病毒内部及衣壳的非对称结构研究甚少。围绕冷冻电镜病毒三维重构，本项目在对称失配重构方法研究与软件开发、病毒内部非对称重构、巨大病毒近原子分辨结构解析等方面开展了较系统的研究，取得了如下主要研究成果：1）提出了冷冻电镜二十面体病毒对称失配三维重构算法，编写了相关的应用软件包；2）利用新算法与软件解析了腺病毒、水生呼肠孤病毒、质型多角体病毒及手足口病柯萨奇A10病毒等内部非对称结构，提出了相关病毒的转录、复制模型；3）解析了单纯疱疹病毒近原子分辨三维结构，构建了其衣壳的全原子结构模型，提出了疱疹病毒组装模型。本项目的研究提供了一种求解病毒内部基因组三维结构的通用解决方案，同时该方法也可以扩展到其他对称失配生物大分子及其复合物的结构解析。