【Cell】清华医学院饶子和/娄智勇团队等发现生物界中RNA加帽的新机制

2022年10月4日，清华大学医学院饶子和教授、娄智勇教授团队与广州实验室、上科大等合作，在国际期刊《Cell》上发表了文章“A mechanism for SARS-CoV-2 RNA capping and its inhibition by nucleotide analogue inhibitors”，在新冠病毒中发现了一种生物界中全新的RNA加帽途径，阐明核苷类抗病毒药物抑制该过程的分子机制，并提出全新的“induce-and-lock”的药物设计机制。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01256-9

研究背景

“帽”（Cap）结构是细胞中广泛存在一种RNA修饰。细胞中的一系列酶分子，通过复杂的催化过程，在RNA 5’端前加入一个G核苷，形成“帽核心”结构（cap core，GpppN），再由甲基转移酶对第一、第二、第三个核苷的不同位置进行甲基化，最终形成Cap0、Cap1、Cap2结构。在高等生物细胞中，Cap1是最主要的帽结构形式。

新冠病毒是目前已知RNA病毒中基因组最大的一种病毒（约30 kb），在其基因组RNA和mRNA的5’端也必须具备Cap1帽结构。

研究进展

该研究围绕新冠病毒转录复制过程，系统阐明了“核心转录复制复合体”（C-RTC）、“延伸转录复制复合体”（E-RTC）、“加帽中间态转录复制复合体”和“Cap0转录复制复合体”的工作机制。在此基础上，研究团队进一步深入探索了新冠病毒核酸加帽的机制，发现新冠病毒能够利用其转录复制复合体中的单链核酸结合蛋白nsp9作为媒介，介导全新的加帽过程。

该过程分为两个阶段。（1）聚合酶NiRAN结构域水解新生核酸链5’三磷酸末端成为单磷酸末端，并将剩余的单磷酸末端与nsp9蛋白N端第一个氨基酸（Asn1）的氨基共价连接，形成RNA-nsp9中间产物，该过程被命名为“RNAylation”过程。（2）聚合酶NiRAN在其“G口袋”中结合一个GTP分子，诱导NiRAN结构域发生构象变化，将一个称之为“断键水分子”的水分子向RNA与nsp9共价键的距离推进至3.8 Å，使其发挥亲和攻击能力，导致RNA与nsp9间的共价键断裂，再由断键形成的高能基团攻击GTP，最终形成帽核心结构（GpppA）。

这一研究的发现，不仅是对新冠病毒乃至其他病毒生命过程理解的重要更新，而且在生物学领域中也是第一次发现这种由蛋白质作为媒介来介导的RNA加帽过程，拓展了生命科学研究中对核酸加工的认识边界，为在人体细胞中发现可能存在的类似现象提供了一个重要的起点。

研究意义

研究团队发现，核苷类抗病毒药物能够被聚合酶NiRAN结构域，通过类似的机制共价连接到nsp9蛋白，进而阻止了加帽反应过程。特别是，当核苷类抗病毒药物索非布韦（sofosbuvir）连接到nsp9蛋白后，药物分子结合在一个称之为“Nuc口袋”的位点，并通过其核糖基团上的化学修饰，诱导NiRAN结构的“S-loop”发生剧烈的构象改变，封闭“G口袋”中GTP分子进出的路径。该研究为认识核苷类抗病毒药物的作用机制提供了全新视角，同时还展示了一种“induce-and-lock”的全新的药物设计机制，为进一步发展高亲和力、全新的抗病毒药物提供了一个全新的角度。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01256-9

https://www.med.tsinghua.edu.cn/info/1058/4093.htm

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。