武汉病毒所揭示从头合成型病毒RdRP引发-延伸转换机制

2023-01-04 17:01

核酸聚合酶是实现核酸生物合成的关键蛋白质机器，在复制、转录、逆转录等重要过程中发挥核心作用。聚合酶启动核酸合成的过程也称为“引发”（initiation），可通过两种基本模式来实现：第一种称为“依赖引物”（primer-dependent），需要利用核酸或蛋白作为引物，以DNA复制（DNA replication）过程为代表；另一种则称为“从头合成”（de novo synthesis），即由两个三磷酸核苷（nucleoside triphosphate，NTP）分子反应生成二核苷酸产物来实现引发，以转录（transcription）过程为代表。引发过程通常具有序列特异性，稳定性较低且合成速率较慢，聚合酶需要进一步完成从引发阶段到序列特异性较低的延伸（elongation）阶段的转换，以实现长链核酸的稳定快速合成。RNA病毒编码的依赖RNA的RNA聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase，RdRP）是RNA病毒必须且唯一共有的基因，随着埃博拉病毒、2019新型冠状病毒等RNA病毒近年来不断在世界范围造成影响，RdRP日益成为RNA病毒基础研究和抗病毒研究的热点。与其他核酸聚合酶类似，RdRP的引发模式也分为依赖引物和从头合成两种，分别以脊髓灰质炎病毒3D^pol和登革病毒NS5为代表，自1997年首个RdRP三维结构得到解析以来，RdRP的结构与功能研究虽然不断取得进展，但这两类RdRP如何实现从引发到延伸的转换一直未能得到阐明。

中国科学院武汉病毒研究所龚鹏研究员团队自2011年起致力于从头合成型RdRP的引发-延伸转换机制研究，通过十余年“前仆后继”式地探索，于近期成功阐明了登革病毒NS5 RdRP的引发-延伸转换机制。该团队解析了分辨率为2.6-2.9埃的登革病毒NS5 RdRP与模板-产物双链RNA形成的延伸复合物（elongation complex，EC）晶体结构（图A）（PDB编号为7XD8和7XD9，数据分别收集于上海光源BL19U1和BL17U1线站），发现在引发阶段发挥重要作用的“引发元件”（priming element，PE，一段位于RdRP拇指结构域的环状结构）退出RdRP的活性中心并重新折叠成新的形态，而经历变构过程的引发元件与延伸复合物中的双链RNA又建立了新的相互作用（图B）。研究团队通过多种酶学表征方法进一步发现变构后的引发元件提升了延伸复合物稳定性，从而证实引发元件可通过变构在RdRP合成的引发和延伸这两个重要阶段发挥截然不同的功能（图C）。由于从头合成型RdRP的引发元件具有较高的序列和结构多样性，研究团队据此提出不同RdRP的引发元件变构的细节可能具有较大差异，但其在引发和延伸阶段发挥双重功能的模式可能相同（图D），即实现“异曲同工”。

这项工作是该团队在前期解析黄病毒NS5全长三维结构（PLoS Pathogens 2013）和成功组装黄病毒NS5延伸复合物（PLoS Pathogens 2020）的基础上在RdRP领域取得的重要突破，也为脊髓灰质炎病毒3D^pol、2019新型冠状病毒nsp12等依赖引物型RdRP的引发-延伸转换机制研究提供了重要参考。相关论文近期在线发表于Proc Natl Acad Sci U S A（《美国科学院院刊》），此项研究受到国家重点研发计划项目（2018YFA0507200，项目负责人为陈新文研究员）、国家自然科学基金项目（32070185；32000136）、中国科学院青年创新促进会项目等的支持。武汉病毒所青年研究员吴继芹（实现了延伸复合物组装，主要完成结构生物学研究）和博士研究生王欣雨（解决了延伸复合物可溶性问题并筛选得到复合物结晶条件，主要完成酶学研究）为论文的共同第一作者，实验师刘巧洁（参与酶学研究）和博士研究生/助理研究员逯国亮（参与结构生物学研究，现为复旦大学副研究员）为共同作者，龚鹏研究员为论文的通讯作者。

论文及前续系列论文链接为：
https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2211425120

https://journals.plos.org/plospathogens/article/file?id=10.1371/journal.ppat.1008484&type=printable

https://journals.plos.org/plospathogens/article/file?id=10.1371/journal.ppat.1003549&type=printable