清华大学饶子和院士、娄智勇教授团队解答新冠病毒RNA延伸与帽结构合成的分子机制

近日，清华大学饶子和院士、娄智勇教授团队在Cell、Nature Communications上连续发表研究论文，阐明新冠病毒生命周期中核心的超分子蛋白质机器“转录复制复合体”的“帽结构合成中间状态”与“核酸合成延伸状态”两个过程的分子机制，揭示新的抗病毒药物作用靶点。

新冠病毒SARS-CoV-2引发的COVID-19疫情至今已造成全球4700多万人感染和120余万人死亡。在病毒侵入宿主细胞后，所编码的一系列非结构蛋白要形成复杂的超分子蛋白质机器“转录复制复合体”（RTC），包含了聚合酶、引物酶、解旋酶、甲基转移酶、核酸酶以及多种辅因子蛋白，负责病毒转录复制的核心过程，涵盖了众多抗病毒药物设计的关键靶点。

新冠疫情发生后，饶子和院士团队针对抗病毒关键靶点，迅速开展科研攻关。先后阐明了两个最关键药物靶点蛋白的结构信息，即主蛋白酶M^pro，以及由聚合酶nsp12、引物酶nsp8和辅因子nsp7组成的“核心转录复制复合体”（C-RTC），以及C-RTC与核酸和瑞德西韦复合物的三维结构，为认识病毒的生命过程、发展高效抗病毒药物提供了关键信息。2020年，这三项工作先后发表在Nature[1]、Science[2]和Cell上[3]，也是至今为止抗新冠药物靶点研究中引用最多的工作。

在此基础上，清华大学饶子和院士、娄智勇教授团队深入探索了新冠病毒RTC的工作机制，对RTC的动态过程进行系统划分和定义，先后解析了“延伸转录复制复合体”（E-RTC）和“加帽中间态转录复制复合体”[cap(-1)’-RTC]的高分辨率三维结构，阐明了新冠病毒转录复制的关键结构信息，发现了聚合酶nsp12在mRNA合成中的独特机制，为发展高效抗病毒药物提供了重要信息。

研究团队利用独特设计的RNA分子，成功组装成由C-RTC和解旋酶nsp13构成的E-RTC，并解析其2.9埃的冷冻电镜结构，首次提出了两个解旋酶分子依次与C-RTC组装，协同聚合酶完成RNA合成“backtrace”的复杂机制（图1）。研究工作还阐明了解旋酶结合模板RNA的关键位点，为针对解旋酶开发抑制剂提供了关键结构基础，研究结果将于2020年11月18日在Nature Communications在线发表[4]。

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图1、新冠病毒E-RTC的RNA合成延伸机制

随后，研究团队进一步针对新冠病毒mRNA的形成机制进行探索。新冠病毒的mRNA需要一个独特的“帽结构”（cap），帮助完成病毒蛋白质翻译、逃逸宿主先天免疫等生理过程。帽结构加工分为四步，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)]。研究团队首先成功组装成第二步向第三步过渡过程的转录复制复合体的关键状态，将其命名为cap(-1)’-RTC，解析其2.8埃的冷冻电镜结构（图2）。该复合体由E-RTC和单链结合蛋白nsp9共同组成，nsp9通过其N端氨基酸与聚合酶nsp12上的核苷转移酶（NiRAN）结构域结合，引导帽合成过程由第二步向第三步的过渡。随后，进一步证实聚合酶nsp12的NiRAN结构域负责催化帽结构合成的第二步酶学反应，回答了冠状病毒研究中近20年来悬而未决的问题，首次彻底明确了mRNA合成过程中全部的关键酶分子，为抗病毒药物研发提供了新的靶点，相关研究成果于2020年11月15日在Cell在线发表[5]。

图2、新冠病毒cap(-1)’-RTC复合物2.8 Å分辨率复合物结构

两项成果的获得，得益于研究团队在冠状病毒转录复制领域中17年多的长期积累。清华大学饶子和院士、娄智勇教授/长江学者特聘教授为两篇论文的共同通讯作者，清华大学医学院和生命学院的闫利明博士、博士生张盈、葛基、郑礼涛，为两篇论文的共同第一作者，研究工作得到上海科技大学和武汉大学合作者、以及上海科技大学冷冻电镜平台的重要支持，受到科技部重点研发计划、清华大学春风基金的资助。

参考文献

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.

原文链接：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.

原文链接：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.

原文链接：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.

原文链接：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.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.016

来源 | 清华大学医学院