近日，清華大學(xué)饒子和院士、婁智勇教授團(tuán)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(jī)器“轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)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(jī)制，揭示新的抗病毒藥物作用靶點(diǎn)。

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(xì)胞后，所編碼的一系列非結(jié)構(gòu)蛋白要形成復(fù)雜的超分子蛋白質(zhì)機(jī)器“轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)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(fù)責(zé)病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)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(diǎn)。
新冠疫情發(fā)生后，饒子和院士團(tuán)隊針對抗病毒關(guān)鍵靶點(diǎn)，迅速開展科研攻關(guān)。先后闡明了兩個最關(guān)鍵藥物靶點(diǎn)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(fù)制復(fù)合體”（C-RTC），以及C-RTC與核酸和瑞德西韋復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，為認(rèn)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(diǎn)研究中引用最多的工作。
在此基礎(chǔ)上，清華大學(xué)饒子和院士、婁智勇教授團(tuán)隊深入探索了新冠病毒RTC的工作機(jī)制，對RTC的動態(tài)過程進(jìn)行系統(tǒng)劃分和定義，先后解析了“延伸轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)合體”（E-RTC）和“加帽中間態(tài)轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)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(fù)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(dú)特機(jī)制，為發(fā)展高效抗病毒藥物提供了重要信息。
研究團(tuán)隊利用獨(dú)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(fù)雜機(jī)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(diǎn)，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)果將于2020年11月18日在Nature Communications在線發(fā)表[4]。
清華大學(xué)饒子和院士、婁智勇教授團(tuán)隊解答新冠病毒RNA延伸與帽結(jié)構(gòu)合成的分子機(jī)制-肽度TIMEDOO清華大學(xué)饒子和院士、婁智勇教授團(tuán)隊解答新冠病毒RNA延伸與帽結(jié)構(gòu)合成的分子機(jī)制-肽度TIMEDOO
圖1、?新冠病毒E-RTC的RNA合成延伸機(jī)制
隨后，研究團(tuán)隊進(jìn)一步針對新冠病毒mRNA的形成機(jī)制進(jìn)行探索。新冠病毒的mRNA需要一個獨(dú)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(tuán)隊首先成功組裝成第二步向第三步過渡過程的轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)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(fù)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(dǎo)帽合成過程由第二步向第三步的過渡。隨后，進(jìn)一步證實(shí)聚合酶nsp12的NiRAN結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)催化帽結(jié)構(gòu)合成的第二步酶學(xué)反應(yīng)，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(diǎn)，相關(guān)研究成果于2020年11月15日在Cell在線發(fā)表[5]。
清華大學(xué)饒子和院士、婁智勇教授團(tuán)隊解答新冠病毒RNA延伸與帽結(jié)構(gòu)合成的分子機(jī)制-肽度TIMEDOO
圖2、?新冠病毒cap(-1)’-RTC復(fù)合物2.8 ?分辨率復(fù)合物結(jié)構(gòu)
兩項成果的獲得，得益于研究團(tuán)隊在冠狀病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制領(lǐng)域中17年多的長期積累。清華大學(xué)饒子和院士、婁智勇教授/長江學(xué)者特聘教授為兩篇論文的共同通訊作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院和生命學(xué)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(xué)和武漢大學(xué)合作者、以及上海科技大學(xué)冷凍電鏡平臺的重要支持，受到科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、清華大學(xué)春風(fēng)基金的資助。
參考文獻(xiàn)
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.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.2020.

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.016

來源?| 清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院