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同一课题组两篇顶刊:C-Trap 如何“看见”病毒复制机器的启动与停摆
关键词:复纳生物,LUMICKS,C-Trap,光镊、C-Trap、荧光光镊、单分子技术、单分子荧光
日期:2026-09-20

2026 年初开始,哈佛医学院 Jonathan Abraham 与 Joseph Loparo 团队接连在 Cell 和 Nature 发表两项研究,分别破解了 HSV-1(单纯疱疹病毒 1 型)和 MPXV(猴痘病毒)复制机器的结构与工作机制。

两篇论文的技术路线如出一辙:冷冻电镜得到蛋白的高分辨率“结构”,C-Trap 单分子光学镊子进一步研究“动态”。前者回答“它长什么样”,后者回答“它怎么动、何时停”。正是这套组合,让两个悬置多年的机制问题有了直接证据。

 

 

一、为什么必须用单分子技术?

 

病毒 DNA 复制机器由解旋酶—引物酶(helicase-primase)和 DNA 聚合酶组成,必须在复制叉上协同工作。冷冻电镜能得到单个单位蛋白的高分辨率构象,但它的结果是静态的;生化实验(凝胶、放射性标记)能检测蛋白活性,却是数以亿计分子活动的平均化结果。

 

中间的空白是:单个复制机器在真实 DNA 上究竟如何运动?药物结合后它是彻底罢工,还是仍在挣扎? 这正是单分子实验的独特视角。

 

 

二、HSV-1:抗病毒药物如何“锁死”解旋酶

 

HSV-1 的解旋酶—引物酶复合物(H/P)由UL5(解旋酶)、UL52(引物酶)和 UL8 组成。Pritelivir、amenamevir 这类解旋酶—引物酶抑制剂(HPI)是治疗耐药疱疹感染的重要候选药物,但它们如何抑制活性一直缺乏单分子层面的证据。

 

研究团队用 C-Trap 动态单分子荧光光镊系统搭建了解旋实验:将 17.7kb 的 dsDNA/ssDNA 杂合底物通过生物素—链霉亲和素连接在两个聚苯乙烯小球之间,在恒定张力下监测珠间距变化——解旋酶每把一段 dsDNA 拆成 ssDNA,DNA 就会伸长,珠间距随之增大。

 

结果非常清晰:

 

  • 只有野生型 H/P 复合物时,DNA 被持续解旋,无可见暂停,平均速率 33nt/s(n = 41);

  • 加入 pritelivir 后,速率剂量依赖地下降:100 nM 降至 25nt/s(暂停比例 17.9%)、200 nM 降至 17nt/s(25.6%)、500      nM 仅剩 9.5nt/s(暂停比例飙升至 51.5%);

  • 而携带耐药突变的 UL5K356N 或UL52F360R 复合物,在 500nM 药物下仍保持 22–23 nt/s 的解旋速率,暂停比例仅约 4%。

 

这说明 HPI 并非让解旋酶完全停转,而是把它“锁”在失活的开放构象中,使其在 DNA 上反复卡顿。 这与冷冻电镜观察到的构象完全吻合。两套数据互为印证,构成了完整证据链。

 

三、MPXV:解旋酶如何被聚合酶“唤醒”

 

猴痘病毒 E5 蛋白是六聚体解旋酶—引物酶,单独存在时处于自抑制状态,解旋活性极弱;只有与聚合酶全酶(F8/A22/E4)组装后才会被激活。激活机制此前不明。

 

C-Trap 实验给出了关键判据:在 52pN 张力下,E5 单独时几乎无持续性解旋(n = 19),聚合酶单独时亦无活性(n = 12);两者按 1:2 混合后则出现持续解旋,1:10 比例同样成立。这说明聚合酶的直接结合是解旋活性开启的必要条件。

 

C-Trap 在此处的作用不仅是“确认活性”,更是把“结合—构象变化—活性激活”三者定量关联起来,为冷冻电镜揭示的 E5 大幅构象重排提供了功能学证据。

 

 

四、结语

 

从群体平均到单分子、从静态构象到实时动态,上述两项顶刊研究共同表明:冷冻电镜与动态单分子技术的联合应用,正逐步成为病毒复制机制研究的标准范式。

 

这一转变的方法学意义在于:传统生化测定所反映的,是数以亿计分子在时间与群体上双重平均后的结果,复制机器的异步行为、暂态停滞与个体差异均被平均化而不可见;C-Trap  则将测量对象还原为单个分子,使同一台机器在真实 DNA 底物上的连续运动轨迹成为可直接观测的量。

 

换言之,C-Trap 的价值并不限于光镊本身,而在于将光镊、多通道微流控与单分子共聚焦显微成像技术整合于同一平台,从而把“分子机器如何工作”这一原本只能由群体平均数据间接推断的命题,还原为单分子层面的实时动态过程。

 

参考文献

 

[1] Yu Z, Sathyanarayana P, Tan JMJT, et al. Structure and operating principles of a monkeypox virus replisome. Nature. Published online September 2, 2026. doi:10.1038/s41586-026-10937-2

[2]Yu Z, Sathyanarayana P, Liu C, et al. Mechanisms of HSV-1 helicase-primase inhibition and replication fork complex assembly. Cell. 2026;189(2):478-494.e18. doi:10.1016/j.cell.2025.11.041

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