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清華大學饒子和院士、婁智勇教授團隊解答新冠病毒RNA延伸與帽結(jié)構(gòu)合成的分子機制 時間：2020-11-19

時間：2021-04-09 01:38:02學院：醫(yī)學院學校：清華大學

近日，清華大學饒子和院士、婁智勇教授團隊在Cell、Nature Communications上連續(xù)發(fā)表研究論文，闡明新冠病毒生命周期中核心的超分子蛋白質(zhì)機器“轉(zhuǎn)錄復制復合體”的“帽結(jié)構(gòu)合成中間狀態(tài)”與“核酸合成延伸狀態(tài)”兩個過程的分子機制，揭示新的抗病毒藥物作用靶點。

新冠病毒SARS-CoV-2引發(fā)的COVID-19疫情至今已造成全球4700多萬人感染和120余萬人死亡。在病毒侵入宿主細胞后，所編碼的一系列非結(jié)構(gòu)蛋白要形成復雜的超分子蛋白質(zhì)機器“轉(zhuǎn)錄復制復合體”（RTC），包含了聚合酶、引物酶、解旋酶、甲基轉(zhuǎn)移酶、核酸酶以及多種輔因子蛋白，負責病毒轉(zhuǎn)錄復制的核心過程，涵蓋了眾多抗病毒藥物設(shè)計的關(guān)鍵靶點。

新冠疫情發(fā)生后，饒子和院士團隊針對抗病毒關(guān)鍵靶點，迅速開展科研攻關(guān)。先后闡明了兩個最關(guān)鍵藥物靶點蛋白的結(jié)構(gòu)信息，即主蛋白酶Mpro，以及由聚合酶nsp12、引物酶nsp8和輔因子nsp7組成的“核心轉(zhuǎn)錄復制復合體”（C-RTC），以及C-RTC與核酸和瑞德西韋復合物的三維結(jié)構(gòu)，為認識病毒的生命過程、發(fā)展高效抗病毒藥物提供了關(guān)鍵信息。2020年，這三項工作先后發(fā)表在Nature[1]、Science[2]和Cell上[3]，也是至今為止抗新冠藥物靶點研究中引用最多的工作。

在此基礎(chǔ)上，清華大學饒子和院士、婁智勇教授團隊深入探索了新冠病毒RTC的工作機制，對RTC的動態(tài)過程進行系統(tǒng)劃分和定義，先后解析了“延伸轉(zhuǎn)錄復制復合體”（E-RTC）和“加帽中間態(tài)轉(zhuǎn)錄復制復合體”[cap(-1)’-RTC]的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，闡明了新冠病毒轉(zhuǎn)錄復制的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)信息，發(fā)現(xiàn)了聚合酶nsp12在mRNA合成中的獨特機制，為發(fā)展高效抗病毒藥物提供了重要信息。

研究團隊利用獨特設(shè)計的RNA分子，成功組裝成由C-RTC和解旋酶nsp13構(gòu)成的E-RTC，并解析其2.9埃的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，首次提出了兩個解旋酶分子依次與C-RTC組裝，協(xié)同聚合酶完成RNA合成“backtrace”的復雜機制（圖1）。研究工作還闡明了解旋酶結(jié)合模板RNA的關(guān)鍵位點，為針對解旋酶開發(fā)抑制劑提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，研究結(jié)果于2020年11月18日在Nature Communications在線發(fā)表[4]。


? ? ? ? ? ?圖1 新冠病毒E-RTC的RNA合成延伸機制


研究團隊進一步針對新冠病毒mRNA的形成機制進行探索。新冠病毒的mRNA需要一個獨特的“帽結(jié)構(gòu)”（cap），幫助完成病毒蛋白質(zhì)翻譯、逃逸宿主先天免疫等生理過程。帽結(jié)構(gòu)加工分為四步，即（1）由pppA-RNA生成ppA-RNA [cap(-2)]、（2）合成GpppA-RNA [cap(-1)]、（3）合成7MeGpppA-RNA [cap(0)]和（4）合成7MeGpppA2’OMe-RNA [cap(1)]。研究團隊首先成功組裝成第二步向第三步過渡過程的轉(zhuǎn)錄復制復合體的關(guān)鍵狀態(tài)，將其命名為cap(-1)’-RTC，解析其2.8埃的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖2）。該復合體由E-RTC和單鏈結(jié)合蛋白nsp9共同組成，nsp9通過其N端氨基酸與聚合酶nsp12上的核苷轉(zhuǎn)移酶（NiRAN）結(jié)構(gòu)域結(jié)合，引導帽合成過程由第二步向第三步的過渡。隨后，進一步證實聚合酶nsp12的NiRAN結(jié)構(gòu)域負責催化帽結(jié)構(gòu)合成的第二步酶學反應，回答了冠狀病毒研究中近20年來懸而未決的問題，首次徹底明確了mRNA合成過程中全部的關(guān)鍵酶分子，為抗病毒藥物研發(fā)提供了新的靶點，相關(guān)研究成果于2020年11月14日在Cell在線發(fā)表[5]。


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圖2 新冠病毒cap(-1)’-RTC復合物2.8 ?分辨率復合物結(jié)構(gòu)


兩項成果的獲得，得益于研究團隊在冠狀病毒轉(zhuǎn)錄復制領(lǐng)域中17年多的長期積累。清華大學饒子和院士、婁智勇教授/長江學者特聘教授為兩篇論文的共同通訊作者，清華大學醫(yī)學院的閆利明博士、博士生張盈、葛基、鄭禮濤，為兩篇論文的共同第一作者，研究工作得到上?？萍即髮W和武漢大學合作者、以及上?？萍即髮W冷凍電鏡平臺的重要支持，受到科技部重點研發(fā)計劃、清華大學春風基金的資助。


相關(guān)文獻

1.Jin, Z., X. Du, Y. Xu, Y. Deng, M. Liu, Y. Zhao, B. Zhang, X. Li, L. Zhang, C. Peng, Y. Duan, J. Yu, L. Wang, K. Yang, F. Liu, R. Jiang, X. Yang, T. You, X. Liu, X. Yang, F. Bai, H. Liu, X. Liu, L.W. Guddat, W. Xu, G. Xiao, C. Qin, Z. Shi, H. Jiang, Z. Rao and H. Yang.Structure of M(pro) from SARS-CoV-2 and discovery of its inhibitors. Nature, 2020. 582(7811): p. 289-293.

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2223-y

2.Gao, Y., L. Yan, Y. Huang, F. Liu, Y. Zhao, L. Cao, T. Wang, Q. Sun, Z. Ming, L. Zhang, J. Ge, L. Zheng, Y. Zhang, H. Wang, Y. Zhu, C. Zhu, T. Hu, T. Hua, B. Zhang, X. Yang, J. Li, H. Yang, Z. Liu, W. Xu, L.W. Guddat, Q. Wang, Z. Lou and Z. Rao.Structure of the RNA-dependent RNA polymerase from COVID-19 virus. Science, 2020. 368(6492): p. 779-782.

原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/368/6492/779

3.Wang, Q., J. Wu, H. Wang, Y. Gao, Q. Liu, A. Mu, W. Ji, L. Yan, Y. Zhu, C. Zhu, X. Fang, X. Yang, Y. Huang, H. Gao, F. Liu, J. Ge, Q. Sun, X. Yang, W. Xu, Z. Liu, H. Yang, Z. Lou, B. Jiang, L.W. Guddat, P. Gong and Z. Rao.Structural Basis for RNA Replication by the SARS-CoV-2 Polymerase. Cell, 2020. 182(2): p. 417-428.e13.

原文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30629-2

4.Yan, L., Y. Zhang, J. Ge, L. Zheng, Y. Gao, T. Wang, Z. Jia, H. Wang, Y. Huang, M. Li, Q. Wang, Z. Rao and Z. Lou.Architecture of a SARS-CoV-2 mini replication and transcription complex. Nature Communications,2020.

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19770-1

5.Yan, L., J. Ge, L. Zheng, Y. Zhang, Y. Gao, T. Wang, Y. Huang, Y. Yang, S. Gao, M. Li, Z. Liu, H. Wang, Y. Li, Y. Chen, L.W. Guddat, Q. Wang, Z. Rao and Z. Lou.Cryo-EM structure of an extended SARS-CoV-2 replication and transcription complex reveals an intermediate state in cap synthesis. Cell,2020.

原文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31533-6?rss=yes

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