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Cell突破 | 清华大学张强锋/王健伟/丁强揭示新冠病毒RNA基因组的体内结构,为治疗新冠肺炎提供新的思路

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本文原创首发公众号:iNature

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由于新病例的迅速增加,2019年冠状病毒病(COVID-19)很快引起了全球关注,病原体被鉴定为SARS-CoV-2。截至目前(2021年2月10日),据约翰·霍普金斯大学发布的实时统计数据,全球累计新冠肺炎确诊病例超过1亿729万例,死亡人数达234万。这些数字每天都会更新,而且预计还会进一步增加。了解RNA病毒及其与宿主蛋白的相互作用可以改善对COVID-19的治疗干预。

2021年2月9日,清华大学张强锋,王健伟及丁强共同通讯在Cell 在线发表题为“In vivo structural characterization of the SARS-CoV-2 RNA genome identifies host proteins vulnerable to repurposed drugs”的研究论文,该研究使用icSHAPE技术,确定了SARS-CoV-2 RNA在感染的人细胞中以及从重新折叠的RNA以及SARS-CoV-2和其他六种冠状病毒的调控性非翻译区的结构态势。

该研究验证了计算机预测的几种结构元件,并发现了影响细胞中亚基因组病毒RNA的翻译和丰度的结构特征。结构数据提供了一种深度学习工具,可预测与SARS-CoV-2 RNA结合的42种宿主蛋白。引人注目的是,靶向结构元件的反义寡核苷酸和FDA批准的抑制SARS-CoV-2 RNA结合蛋白的药物大大减少了SARS-CoV-2对人细胞的感染。因此,该研究的发现揭示了COVID-19治疗的多种候选疗法。

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由于新病例的迅速增加,2019年冠状病毒病(COVID-19)很快引起了全球关注。新型冠状病毒感染被认为是从动物传播的,病原体被鉴定为SARS-CoV-2。到2020年1月,怀疑最初受感染的患者是通过人与人之间的传播感染了该病毒。

由于新病例的迅速增加,2019年冠状病毒病(COVID-19)很快引起了全球关注,病原体被鉴定为SARS-CoV-2。截至目前(2021年2月10日),据约翰·霍普金斯大学发布的实时统计数据,全球累计新冠肺炎确诊病例超过1亿729万例,死亡人数达234万。这些数字每天都会更新,而且预计还会进一步增加。 

SARS-CoV-2是冠状病毒科的RNA病毒,该科还包括SARS-CoV,MERS-CoV。SARS-CoV-2的基因组是大约30kb的单链正链RNA,包括5'帽结构和3'poly(A)尾巴。细胞进入后,病毒基因组被翻译成蛋白质,并且还充当复制和转录的模板。在翻译过程中,SARS-CoV-2从两个开放阅读框(ORF1a和ORF1b)产生非结构蛋白(nsps),并从亚基因组病毒RNA产生许多结构蛋白。通过nsp12蛋白(RNA依赖性RNA聚合酶,RdRP)生成负链RNA,可以合成正链基因组RNA和亚基因组RNA。包含SARS-CoV-2基因组的RNA由亚基因组RNA编码的结构蛋白包装。

值得注意的是,SARS-CoV-2的大多数分子病毒学研究(以及实际上大多数其他病毒的研究)都集中在病毒蛋白上。例如,对SARS-CoV-2 S蛋白与细胞受体ACE2结合的结构测定提供了感染初始阶段的原子细节。对SARS-CoV-2蛋白与人蛋白相互作用的鉴定揭示了SARS-CoV-2如何重塑细胞途径以及被FDA批准的药物和小分子化合物靶向的未发现的药物宿主因子。追踪和分析SARS-CoV-2关键蛋白的变化发现了一个重要的突变,与传播增加有关。这些研究对于揭示机制的见解,以加深对分子病毒学和流行病学的了解,并有助于抗病毒疗法的发展,具有重要的价值。

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文章模式图(图源自Cell )

尽管如此,SARS-CoV-2是一种RNA病毒,RNA基因组本身是控制和启用其功能的中央调节中心。RNA分子折叠成复杂的高阶结构,这些结构是其细胞功能不可或缺的。在病毒中也已鉴定出许多RNA结构元件。例如,黄病毒显示5'UTR和3'UTR之间的分子内RNA-RNA相互作用促进基因组环化并帮助协调复制;丙型肝炎病毒(HCV)5’UTR内部核糖体进入位点的结构对于翻译至关重要;并且ZIKV和其他黄病毒的3'UTR中的多假性结结构已显示出使RNA外切核酸酶Xrn1失速,从而产生了亚基因组黄病毒RNA,有助于病毒逃避细胞抗病毒过程。然而,尽管对SARS的几种RNA结构元件进行了功能表征,并且最近有了关于SARS-CoV-2序列的理论预测,很明显,对SARS-CoV-2 RNA基因组结构(存在于感染细胞中)的更全面分析对于全面了解病毒感染和治疗策略至关重要。

特别令人感兴趣的是,最近的一项研究发现,在Spike蛋白残基614处带有甘氨酸的SARS-CoV-2变异体可能具有适应性优势。这种变体已成为该病毒的主要大流行形式。推测该氨基酸变位通过促进细胞进入或降低免疫应答来增加传播速率。有趣的是,该变体几乎总是伴随SARS-CoV-2 5’UTR中的C241T突变。 不同的SARS-CoV-2株之间的结构差异也可能导致其不同的传染性和传播率。

更重要的是,先前对其他RNA病毒的研究已经发现了许多调节病毒感染周期的宿主RNA结合蛋白(RBP),但是这些信息SARS-CoV-2缺乏。鉴于此类相互作用对于理解病毒如何与宿主细胞相互作用至关重要,因此大规模调查和/或预测以确定感染期间哪些宿主RBP与SARS-CoV-2基因组RNA相互作用将为分子洞察提供极为丰富的资源。

该研究探讨了SARS-CoV-2的体内和体外RNA二级结构,以及六种相关冠状病毒的非翻译区(UTRs)的结构。基于体内结构数据,该研究使用了深度学习工具来准确预测42种与SARS-CoV-2 RNA基因组的UTR结合的功能相关的宿主蛋白。该研究随后验证了几种有望结合病毒RNA的蛋白质的物理和功能相互作用。

使用创新的SARS-CoV-2细胞感染系统和使用真实的SARS-CoV-2病毒进行的感染测定,该研究验证了一些保守的RNA结构元件确实有助于病毒感染。此外,该研究发现这些宿主蛋白中的一些是易受攻击的药物靶标:使用经过重新定向FDA批准的药物对它们的化学抑制作用,导致SARS-CoV-2感染细胞的明显减少。

参考消息:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.008

编者按:本文转载自微信公众号:iNature(ID:Plant_ihuman)


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