Nature | 于子朔等揭示猴痘病毒复制机器组装机制与激活机制

猴痘病毒（monkeypox virus,MPXV）是一类大型双链DNA痘病毒，也是近年来受到高度关注的重要人类病原体。自2022年以来，mpox疫情在全球广泛传播，并先后两次被世界卫生组织宣布为“国际关注的突发公共卫生事件”（PHEIC）。与许多在细胞核内复制的DNA病毒不同，痘病毒完全在宿主细胞质中完成基因组复制，因此必须依赖自身编码的一套高度独立的DNA复制机器。MPXV基因组约195 kb，其高效复制依赖由催化亚基F8及持续合成因子A22/E4组成的DNA聚合酶全酶，以及六聚体解旋酶–引物酶E5。然而，此前虽然已经分别获得E5和DNA聚合酶的结构，两台核心复制机器究竟如何在DNA上组装成一个功能性的复制体，以及原本处于自抑制状态的E5如何被激活，一直缺乏直接的结构和功能解释。

2026年9月2日，哈佛医学院Jonathan Abraham团队（第一作者为于子朔）在Nature在线发表研究论文Structure and operating principles of a monkeypox virus replisome。研究人员综合运用单颗粒冷冻电镜（cryo-EM）、单分子光镊（optical tweezers）、质量光度法（mass photometry）及体外解旋和引物合成功能实验，系统解析了：1. MPXV解旋酶–引物酶E5与DNA聚合酶如何在复制叉处组装成复制体；2. DNA聚合酶如何通过诱导E5发生大尺度构象变化解除其自抑制并激活解旋功能；3. 聚合酶如何进一步增强E5的引物酶活性，从而协调DNA解旋、RNA引物合成与DNA复制。

研究亮点一：解析MPXV复制体结构——聚合酶把“自抑制”的E5重新排布成活化构象

此前的结构研究发现，孤立状态下的MPXV E5形成六聚体，其N端引物酶结构域会占据并阻挡解旋酶中央的ssDNA入口通道，因此E5处于一种典型的自抑制构象，体外仅表现出很弱的解旋活性。一个关键问题由此产生：病毒复制真正开始时，E5究竟如何从“关闭”状态转变为能够持续解旋DNA的活化状态？

作者首先重构了由E5六聚体、DNA聚合酶全酶F8/A22/E4以及DNA共同组成的MPXV复制体，并利用cryo-EM获得了DNA结合状态下的多个结构。其中，ssDNA结合复制体的整体分辨率约为4.1 Å，进一步局部精修后，E5解旋酶区域达到约3.8 Å，而聚合酶及其结合的两个E5引物酶结构域达到约3.5 Å。

结构显示，复制体装配伴随着E5引物酶结构域发生极其显著的大尺度运动。其中一个E5亚基（E5A）的RRM结构域移动约58 Å，最终结合到DNA聚合酶F8的thumb结构域；另一个亚基（E5F）的RRM移动约54 Å，与聚合酶持续合成因子A22直接接触。与此同时，原本遮挡E5中央DNA通道的引物酶结构域被移开，使解旋酶的ssDNA入口暴露。

因此，DNA聚合酶在这里并不仅仅是负责“复制DNA”的另一台酶，而更像一个E5的构象激活因子：通过抓住两个E5引物酶结构域，把原本处于自抑制状态的六聚体重新排布成适合DNA进入并进行转位的活化构象。

研究亮点二：单分子光镊直接看到——聚合酶让E5真正“跑起来”

为了进一步证明结构上观察到的构象变化确实对应E5功能激活，作者建立了双阱单分子光镊解旋实验，在恒力条件下实时监测单条DNA由双链转变为单链时产生的长度变化。

结果非常直观：E5单独存在时，仅能观察到非常有限的DNA解旋；DNA聚合酶单独存在时则没有解旋活性；但当E5与聚合酶同时存在时，可以观察到明显而持续的DNA解旋过程。

更有意思的是，单分子轨迹中可以观察到E5在解旋过程中出现“暂停”。当E5与聚合酶按照1:2比例存在时，解旋过程中的暂停比例约为18.4%；而将聚合酶浓度提高5倍，使E5与聚合酶达到1:10比例后，暂停比例下降至约8.9%。与此同时，去掉造成E5自抑制的RRM区域后，E5ΔRRM的暂停比例仅约1%。

这一结果提示了一个非常有意思的机制：聚合酶的主要作用不是简单提高E5每一步运动的速度，而是通过稳定其活化构象，使E5更少掉回“暂停/失活”状态，从而提高整体解旋效率。

换句话说，聚合酶与E5之间的相互作用相当于给病毒解旋酶打开并维持了一个“运行开关”。这使结构上观察到的几十埃构象重排，与单分子尺度上真正发生的DNA解旋行为形成了直接对应。

研究亮点三：聚合酶不仅激活解旋酶，也激活引物酶——揭示痘病毒复制机器的协同运行方式

E5的特殊之处在于，它并不是单纯的解旋酶，而是一种将SF3解旋酶和AEP家族引物酶整合在同一蛋白中的双功能复制因子。因此，复制体装配是否同时调控其引物酶功能，是理解整个痘病毒复制机器的另一个核心问题。

结构显示，E5A引物酶的RRM和ZBM结构域在与F8 thumb结合后，被精确定位到从复制体中穿过的ssDNA附近，使其潜在催化中心正对DNA模板。体外RNA引物合成实验进一步发现，E5本身能够合成以短链为主的RNA产物，而加入DNA聚合酶后，RNA合成量随聚合酶浓度增加而增强，同时RNA产物长度也有所增加。

作者进一步捕捉到了一个与RNA引物延伸状态相关的polymerase–primase core complex，并获得约3.8 Å分辨率的RNA–DNA hybrid结合结构。在这一结构中，RNA产物的3′端指向E5A RRM的引物酶活性中心，而不是F8聚合酶负责DNA延伸的催化中心，为E5进行RNA引物延伸提供了直接的结构框架。

这些结果共同表明：MPXV DNA聚合酶并不是被动地跟在解旋酶后面合成DNA，而是通过与E5两个引物酶结构域建立多点连接，直接控制E5的构象和酶活性。当聚合酶、E5与DNA正确装配之后，解旋酶和引物酶功能才被有效激活。

意义：从“单个复制酶结构”推进到“病毒复制机器如何协同运行”

这项研究将对痘病毒DNA复制的认识从单个蛋白推进到了复制体整体层面：原本自抑制的E5通过与DNA聚合酶装配发生大尺度构象重排，开放DNA通道并激活解旋功能；与此同时，同一套蛋白–蛋白界面又对E5的引物合成功能进行调节，从而将DNA解旋、RNA引物合成和DNA聚合协调在同一复制机器中。

这种机制保证了只有当复制机器各个组分在DNA上正确组装之后，E5才被充分激活，从而避免解旋和引物合成在错误时间或错误位置发生。

从抗病毒药物开发角度看，病毒DNA聚合酶和解旋酶长期以来都是重要药物靶点，而本研究进一步揭示了E5自身的构象转换以及E5–聚合酶之间多个病毒特异性蛋白–蛋白界面。这些结构信息不仅为理解正痘病毒DNA复制提供了新的分子框架，也为未来开发新型抗痘病毒策略提供了潜在方向。

本研究第一作者为于子朔博士。于子朔博士长期聚焦DNA病毒复制机器的结构与机制研究，致力于将冷冻电镜与单分子生物物理相结合，从分子层面理解病毒复制机器如何装配、运动与受到药物调控，并以此推动新型抗病毒靶点发现与药物优化。

于子朔博士本科毕业于山东大学，博士毕业于复旦大学，师从徐彦辉教授，随后于哈佛大学医学院Jonathan Abraham教授（HHMI）实验室开展博士后研究。其研究工作涵盖痘病毒及疱疹病毒等重要DNA病毒复制体系，迄今共发表SCI论文14篇，其中以第一作者及共同第一作者发表论文6篇，相关成果发表于Nature、Cell、Cell Research、Nature Communications等国际学术期刊。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10937-2

制版人： 十一

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