病毒DNA聚合酶是许多抗病毒药物的重要靶点。虽然已有大量研究捕捉了这些酶在不同构象下的结构，但关于聚合酶构象动力学对药物耐药性影响的详细理解仍然不足。尤其是疱疹病毒（HSV）聚合酶，作为抗病毒药物阿昔洛韦（ACV）和膦甲酸盐（foscarnet）的主要靶点，其耐药性问题一直困扰着临床治疗。疱疹病毒的聚合酶由催化亚基Pol和过程性因子UL42组成，这一复合体在DNA合成过程中发挥着关键作用。然而，对于聚合酶在无核苷酸状态下的构象动态及其与抗病毒药物的结合机制，学界尚缺乏系统性的理解。2024年8月26日，发表在Cell上题为Viral DNA polymerase structures reveal mechanisms of antiviral drug resistance的研究本研究旨在通过冷冻电镜技术揭示疱疹病毒DNA聚合酶在多种构象下与DNA和抗病毒药物的相互作用，进而阐明药物选择性和耐药性的机制。
1）HSV聚合酶在没有核苷酸时表现出多种构象：研究通过冷冻电镜技术观察到，HSV聚合酶在未结合核苷酸时，能够采样开放、闭合以及编辑的构象。特别是“手指”结构域在没有核苷酸底物的情况下，仍然能向闭合状态移动，这表明DNA的结合本身会改变聚合酶的构象动态。2）抗病毒药物对聚合酶的选择性作用机制：研究揭示了抗病毒药物如阿昔洛韦三磷酸（ACV-TP）和膦甲酸盐（foscarnet）如何通过与聚合酶特定构象的相互作用，选择性地结合到更容易采用闭合构象的酶。药物耐药性突变通过调节聚合酶的构象动态，而不是直接影响药物结合，从而导致耐药性。3）药物耐药性突变对聚合酶结构波动的影响：分子动力学模拟和冷冻电镜结构表明，一些耐药性突变，虽然距离药物结合位点较远，但通过影响“手指”结构域的动态，改变了聚合酶的构象，从而降低了药物结合的稳定性。例如，W781V突变增加了聚合酶在开放和闭合构象下的结构波动，导致药物结合效率下降。4）UL42的DNA结合模式：研究还发现UL42通过一系列电荷相互作用延伸了与DNA结合的表面，使得聚合酶能够在保持高速DNA合成的同时，维持较高的过程性。这些发现解释了UL42如何通过调节聚合酶与DNA的相互作用，促进连续的DNA合成。5）抗药性聚合酶采用编辑构象：通过进一步的冷冻电镜分析，发现W781V突变体聚合酶倾向于采用编辑构象，这可能导致该突变体表现出更高的编辑活性，进而增强抗药性。该研究通过高分辨率的冷冻电镜结构，详细揭示了HSV聚合酶在无核苷酸状态下的多种构象及其与抗病毒药物的相互作用机制。研究表明，药物耐药性不仅仅是由于药物结合位点的直接突变，还涉及聚合酶整体构象动态的改变。尤其是“手指”结构域的动态变化在抗药性突变中的重要性得到了强调。研究还揭示了UL42在调控聚合酶过程中的作用，这对于理解疱疹病毒聚合酶的高效DNA合成机制具有重要意义。
Shankar S, Pan J, Yang P, Bian Y, Oroszlán G, Yu Z, Mukherjee P, Filman DJ, Hogle JM, Shekhar M, Coen DM, Abraham J. Viral DNA polymerase structures reveal mechanisms of antiviral drug resistance. Cell. 2024 Aug 26:S0092-8674(24)00842-0.
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.07.048.
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