張強(qiáng)鋒課題組／譚旭課題組解析寨卡病毒基因組RNA二級結(jié)構(gòu)圖譜并發(fā)現(xiàn)調(diào)控RNA病毒傳播的新型分子機(jī)制
11月21日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張強(qiáng)鋒課題組、藥學(xué)院譚旭課題組在《細(xì)胞宿主與微生物》（Cell Host & Mircobe）期刊在線發(fā)表題為《寨卡病毒基因組RNA結(jié)構(gòu)的綜合分析揭示了病毒感染性的關(guān)鍵決定因素》（Integrative Analysis of Zika Virus Genome RNA Structure Reveals Critical Determinants of Viral Infectivity）的研究論文。該論文對寨卡病毒的RNA基因組在二級結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行了綜合分析和建模,并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)且驗證了一個只在流行株系中特異性存在的長程RNA-RNA相互作用，研究表明該相互作用可能促進(jìn)寨卡病毒流行株系的細(xì)胞感染功能。論文顯示了RNA二級結(jié)構(gòu)對寨卡病毒的重要作用，闡釋了調(diào)控RNA病毒傳染性和毒性的新型分子機(jī)制，為相關(guān)藥物開發(fā)提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
寨卡病毒是一種黃熱病毒。與登革病毒、乙型腦炎等常見典型黃熱病毒類似，寨卡病毒通過蚊蟲叮咬在人類和其它動物中傳播，對人類健康有嚴(yán)重的威脅。寨卡病毒有兩個流行株系：一個比較古老的非洲株系，于 1947年發(fā)現(xiàn)于非洲；另一種是流行的亞洲株系（又稱美洲株系），原在東南亞流行，后在南美洲和中北美洲爆發(fā)。目前，對人類威脅較大的株系是亞洲株系。早在2013年法屬波利尼西亞群島（大溪地）和2015年巴西的寨卡疫情中，人們就發(fā)現(xiàn)感染寨卡病毒孕婦的胎兒會有小頭畸形的癥狀，同時亞洲株系也被發(fā)現(xiàn)會引起格林巴氏綜合癥。2016年寨卡病毒大規(guī)模流行，據(jù)統(tǒng)計感染規(guī)模超過百萬人；因此被世界衛(wèi)生組織宣布為國際公共衛(wèi)生緊急事件。
自從大規(guī)模流行以后，寨卡病毒吸引了廣泛的研究關(guān)注。一個重要的科學(xué)問題是理解流行株系和非流行株系的基因組差異在病毒傳播過程中的作用。以前的研究主要關(guān)注氨基酸或者說蛋白質(zhì)的差異。比如在2017年，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院的秦成峰課題組和清華大學(xué)的程功課題組分別報道了兩個關(guān)鍵的病毒蛋白的氨基酸單位點(diǎn)突變，這些突變對寨卡流行病毒株系的毒性和傳播有關(guān)鍵提升作用。然而，比較基因組的分析結(jié)果表明，寨卡病毒流行株系和非流行株系的大部分基因組差異并不帶來氨基酸的變化，而是發(fā)生在非編碼區(qū)的突變和編碼區(qū)的同義突變。這些在蛋白層次“沉默”的突變有可能在RNA層次造成功能和調(diào)控的差異。然而，由于技術(shù)的限制，人們對此所知甚少。
和其它黃熱病毒一樣，寨卡病毒的基因組是一條長為一萬個核苷酸左右的正鏈RNA，其中包括編碼全部11個病毒蛋白的編碼區(qū)以及5’端和3’端的非編碼區(qū)域。在本研究中，研究者綜合利用了兩種新型的、基于高通量測序技術(shù)的RNA二級結(jié)構(gòu)研究手段，平行解析并比較了亞洲株系和非洲株系的寨卡病毒在哺乳動物細(xì)胞內(nèi)的基因組RNA結(jié)構(gòu)。這兩種新技術(shù)包括利用小分子修飾結(jié)合深度測序探測RNA二級結(jié)構(gòu)的icSHAPE技術(shù)（2015年發(fā)表于Nature），和利用小分子交聯(lián)結(jié)合深度測序檢測RNA分子相互配對作用的PARIS技術(shù)（2016年發(fā)表于Cell）。研究者將測得的icSHAPE和PARIS數(shù)據(jù)和已知病毒RNA元件的二級結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)比較，驗證了兩種技術(shù)解析病毒RNA結(jié)構(gòu)的有效性。以PARIS數(shù)據(jù)為依據(jù)，對寨卡病毒RNA基因組進(jìn)行了RNA結(jié)構(gòu)域的劃分，并在結(jié)構(gòu)域的基礎(chǔ)上，結(jié)合icSHAPE數(shù)據(jù)和RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測軟件，構(gòu)建了亞洲和非洲株系寨卡病毒全基因組RNA的二級結(jié)構(gòu)模型。
圖1. 結(jié)合icSHAPE技術(shù)和PARIS技術(shù)解析寨卡病毒中的關(guān)鍵RNA結(jié)構(gòu)元件
值得注意的是，結(jié)合 PARIS數(shù)據(jù)和寨卡病毒各亞型的系統(tǒng)進(jìn)化分析，研究者從中發(fā)現(xiàn)了一個亞洲株系特異的5’端非編碼區(qū)和病毒包膜蛋白編碼區(qū)之間的長距離RNA-RNA相互作用。在這個區(qū)域，亞洲株系相對于非洲株系有很大的核苷酸差異。這些差異都特異的位于氨基酸密碼子的第三位因而不影響編碼蛋白，但卻形成了亞洲株系中特異RNA相互作用的基礎(chǔ)。研究者對這個RNA-RNA相互作用進(jìn)行了突變和回補(bǔ)實(shí)驗，驗證了其對亞洲株系的重要性，如果破壞該相互作用會大幅降低寨卡病毒在神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中的感染性。這個結(jié)果揭示了RNA二級結(jié)構(gòu)對于病毒感染性調(diào)控的復(fù)雜性和重要性，對于理解病毒的基因組組成和進(jìn)化，開發(fā)新型基于RNA的抗病毒藥物都有啟示意義。
清華大學(xué)生命學(xué)院張強(qiáng)鋒研究員和藥學(xué)院譚旭研究員為本文的通訊作者，CLS項目博士生李盼、生命學(xué)院博士生魏逸凡、梅淼和PTN項目博士生生唐磊為本文共同第一作者。本工作得到了軍事科學(xué)院秦成峰、加州大學(xué)河邊分校和清華大學(xué)姜濤、蘇州大學(xué)戴劍鋒等的幫助，并獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的資金支持。
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