最新研究成果 | 清華大學(xué)藥學(xué)院尹航課題組發(fā)文揭示新冠病毒核衣殼蛋白相分離機制
時間：2021-04-09 00:23:02學(xué)院：藥學(xué)院學(xué)校：清華大學(xué)
2021年1月21日，清華大學(xué)藥學(xué)院尹航教授團隊在《細(xì)胞發(fā)現(xiàn)》（Cell Discovery）雜志上在線發(fā)表了題為“新冠病毒的衣殼蛋白通過其N端內(nèi)在無序區(qū)發(fā)生相變進入應(yīng)激顆粒”（SARS-CoV-2 nucleocapsid protein undergoes liquid–liquid phase separation into stress granules through its N-terminal intrinsically disordered region）的通訊文章 [1]。
研究背景：
新冠病毒衣殼蛋白（N）干擾機制與液液相分離
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2019年底，新冠疾病爆發(fā)，隨后肆虐全球。截止2021年1月24日，新冠病毒已造成超過9700萬人感染，引起200多萬人的死亡，是當(dāng)今最令人關(guān)注的公共衛(wèi)生問題之一 [2]。新冠病毒（SARS-CoV-2）是正義單鏈RNA病毒，其衣殼蛋白（N）具有穩(wěn)定病毒RNA；調(diào)控病毒基因組的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯和包裝的作用 [3]。盡管衣殼蛋白的部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到解析，然而衣殼蛋白干擾細(xì)胞正常生理過程的分子機制尚不明確。
液液相分離是生物大分子，例如蛋白、核酸等聚集濃縮形成類似液滴結(jié)構(gòu)的過程。病毒感染過程中，液液相分離能為病毒提供復(fù)制場所，促進病毒機器的組裝。之前的研究表明，冠狀病毒能夠誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激顆粒的組裝，應(yīng)激顆粒的形成會引起宿主細(xì)胞的全局翻譯沉默。
研究過程：
通過N端內(nèi)在無序區(qū)和G3BP1蛋白發(fā)生相分離
2021年1月21日，清華大學(xué)藥學(xué)院尹航教授團隊在《細(xì)胞發(fā)現(xiàn)》（Cell Discovery）雜志上在線發(fā)表了題為“新冠病毒的衣殼蛋白通過其N端內(nèi)在無序區(qū)發(fā)生相變進入應(yīng)激顆粒”（SARS-CoV-2 nucleocapsid protein undergoes liquid–liquid phase separation into stress granules through its N-terminal intrinsically disordered region）的通訊文章 [1]。研究發(fā)現(xiàn)新冠病毒的N蛋白能夠通過N端內(nèi)在無序區(qū)和G3BP1蛋白發(fā)生相分離。
?01 預(yù)測可能介導(dǎo)相分離區(qū)域
首先，為了分析新冠病毒N蛋白相分離的能力，研究者通過在線工具預(yù)測到可能介導(dǎo)相分離的N端無序區(qū)。進一步地，在模擬細(xì)胞受病毒感染的應(yīng)激狀態(tài)下，N蛋白聚集形成微米級別的液滴，缺失該無序區(qū)抑制了液滴的形成。研究者還通過延時攝影、熒光淬滅后回復(fù)（FRAP）等手段證明了N蛋白形成的液滴具有相分離液滴的流動性。
研究背景：
新冠病毒衣殼蛋白（N）干擾機制與液液相分離
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2019年底，新冠疾病爆發(fā)，隨后肆虐全球。截止2021年1月24日，新冠病毒已造成超過9700萬人感染，引起200多萬人的死亡，是當(dāng)今最令人關(guān)注的公共衛(wèi)生問題之一 [2]。新冠病毒（SARS-CoV-2）是正義單鏈RNA病毒，其衣殼蛋白（N）具有穩(wěn)定病毒RNA；調(diào)控病毒基因組的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯和包裝的作用 [3]。盡管衣殼蛋白的部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到解析，然而衣殼蛋白干擾細(xì)胞正常生理過程的分子機制尚不明確。
液液相分離是生物大分子，例如蛋白、核酸等聚集濃縮形成類似液滴結(jié)構(gòu)的過程。病毒感染過程中，液液相分離能為病毒提供復(fù)制場所，促進病毒機器的組裝。之前的研究表明，冠狀病毒能夠誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激顆粒的組裝，應(yīng)激顆粒的形成會引起宿主細(xì)胞的全局翻譯沉默。
研究過程：
通過N端內(nèi)在無序區(qū)和G3BP1蛋白發(fā)生相分離
2021年1月21日，清華大學(xué)藥學(xué)院尹航教授團隊在《細(xì)胞發(fā)現(xiàn)》（Cell Discovery）雜志上在線發(fā)表了題為“新冠病毒的衣殼蛋白通過其N端內(nèi)在無序區(qū)發(fā)生相變進入應(yīng)激顆粒”（SARS-CoV-2 nucleocapsid protein undergoes liquid–liquid phase separation into stress granules through its N-terminal intrinsically disordered region）的通訊文章 [1]。研究發(fā)現(xiàn)新冠病毒的N蛋白能夠通過N端內(nèi)在無序區(qū)和G3BP1蛋白發(fā)生相分離。
?01 預(yù)測可能介導(dǎo)相分離區(qū)域
首先，為了分析新冠病毒N蛋白相分離的能力，研究者通過在線工具預(yù)測到可能介導(dǎo)相分離的N端無序區(qū)。進一步地，在模擬細(xì)胞受病毒感染的應(yīng)激狀態(tài)下，N蛋白聚集形成微米級別的液滴，缺失該無序區(qū)抑制了液滴的形成。研究者還通過延時攝影、熒光淬滅后回復(fù)（FRAP）等手段證明了N蛋白形成的液滴具有相分離液滴的流動性。
圖1 新冠病毒N蛋白在應(yīng)激壓力下在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生相分離
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02 探究N蛋白發(fā)生相變因素
隨后，研究者深入探究了N蛋白發(fā)生相變的因素，發(fā)現(xiàn)N蛋白會進入應(yīng)激顆粒中，依賴于應(yīng)激顆粒中的關(guān)鍵蛋白G3BP1。利用shRNA敲低G3BP1蛋白后，顯著抑制了N蛋白的聚集和液滴的產(chǎn)生。同時，N蛋白進入應(yīng)激顆粒需要自身的N端無序區(qū)。
隨后，研究者深入探究了N蛋白發(fā)生相變的因素，發(fā)現(xiàn)N蛋白會進入應(yīng)激顆粒中，依賴于應(yīng)激顆粒中的關(guān)鍵蛋白G3BP1。利用shRNA敲低G3BP1蛋白后，顯著抑制了N蛋白的聚集和液滴的產(chǎn)生。同時，N蛋白進入應(yīng)激顆粒需要自身的N端無序區(qū)。
圖 2 新冠病毒N蛋白進入應(yīng)激顆粒，依賴于N端無序區(qū)
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03 體外純化蛋白重構(gòu)相分離過程
最后，研究者通過在體外純化相應(yīng)的蛋白，重構(gòu)了新冠病毒N蛋白的液液相分離過程，顯示新冠病毒N蛋白的相分離受到RNA的調(diào)控。
最后，研究者通過在體外純化相應(yīng)的蛋白，重構(gòu)了新冠病毒N蛋白的液液相分離過程，顯示新冠病毒N蛋白的相分離受到RNA的調(diào)控。
圖3 新冠病毒N蛋白的體外相分離受到RNA的調(diào)控
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此項研究揭示了新冠病毒相分離的新機制，新冠病毒N蛋白通過G3BP蛋白相分離進入應(yīng)激顆?？赡苁遣《疽种扑拗骷?xì)胞天然免疫的一種策略。該研究為研發(fā)特效的抗擊新冠病毒的藥物提供了潛在的靶點和方向。
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文章的通訊作者是清華大學(xué)藥學(xué)院尹航教授，共同第一作者為清華大學(xué)藥學(xué)院博士后王佳和博士后施成瑞。
本研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)項目、北京市卓越青年科學(xué)家項目、清華大學(xué)“春風(fēng)”基金的大力支持，實驗得到清華大學(xué)尼康生物影像中心的協(xié)助。
參考文獻：
[1] Wang, J., Shi, C., Xu, Q., & Yin, H. SARS-CoV-2 nucleocapsid protein undergoes liquid–liquid phase separation into stress granules through its N-terminal intrinsically disordered region. Cell Discov 7, 5 (2021).
[2] WHO Coronavirus Disease (COVID-19) Dashboard. (https://covid19.who.int/)
[3] Kim, D. et al. The architecture of SARS-CoV-2 transcriptome. Cell 181, 914–921 (2020)
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論文原文：https://www.nature.com/articles/s41421-020-00240-3
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文章的通訊作者是清華大學(xué)藥學(xué)院尹航教授，共同第一作者為清華大學(xué)藥學(xué)院博士后王佳和博士后施成瑞。
本研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)項目、北京市卓越青年科學(xué)家項目、清華大學(xué)“春風(fēng)”基金的大力支持，實驗得到清華大學(xué)尼康生物影像中心的協(xié)助。
參考文獻：
[1] Wang, J., Shi, C., Xu, Q., & Yin, H. SARS-CoV-2 nucleocapsid protein undergoes liquid–liquid phase separation into stress granules through its N-terminal intrinsically disordered region. Cell Discov 7, 5 (2021).
[2] WHO Coronavirus Disease (COVID-19) Dashboard. (https://covid19.who.int/)
[3] Kim, D. et al. The architecture of SARS-CoV-2 transcriptome. Cell 181, 914–921 (2020)
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論文原文：https://www.nature.com/articles/s41421-020-00240-3
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