《SARS-CoV-2聚合酶活性形式的结构解析》

  • 来源专题:实验室生物安全
  • 编译者: 张虎
  • 发布时间:2020-05-28
  • 1、SARS-CoV-2的RdRp由一个非结构蛋白(nsp)的催化亚基nsp12和两个辅助亚基nsp8和nsp7组成。nsp12亚基包含N端NiRAN结构域、interface结构域和C端RdRp结构域,RdRp结构域由手指、手掌和拇指子结构域组成。1个nsp7亚基绑定到拇指,而2个nsp8的绑定到手指和拇指子结构域。为了获得活性形式的SARS-CoV-2 RdRp的结构,作者分别制备了重组nsp12、nsp8和nsp7。当加入一个极小的RNA发卡底物时,纯化的蛋白质产生RNA依赖的RNA延伸活性,并且依赖于nsp8和nsp7。使用自退火RNA组装并纯化了一个稳定的RdRp-RNA复合物,并收集了单粒子冷冻电镜数据,获得了分辨率2.9 Å的3D重建,从而得到了精确的RdRp-RNA复杂结构,极大的放大了RNA在活性中心的细节。

    2、作者的重构模型显示了RdRp酶与双链RNA结合的结构。该结构类似于自由酶,nsp8中还发现了一个长长的伸出的RNA和延伸的蛋白质区域。这些结果是与丙肝、脊灰和诺如病毒的RdRp复合物相比是独特的。

    3、作者所解析的结构提供了RdRp-RNA相互作用的细节。nsp12亚基在它的手指和拇指域之间结合第一轮RNA,活性位点位于nsp12的手掌域。Motif C结合RNA 3’端,包含RNA合成所需的D760和D761残基。nsp12 Motif F和G位于手指域并定位RNA模板。作者所观察到的nsp12与RNA产物链的接触可能在RNA合成的早期保留短的RNA。

    4、当RNA双链从RdRp裂口退出时会形成第二个螺旋状的弯,从nsp12表面伸出,在RdRp中没有限制RNA双链延伸的结构元件。以上观察结果与复制过程中双链RNA的产生是一致的。但是在已感染细胞中的复制是否产生RNA双链或RNA链是否分离,如果分离方式如何。在病毒基因的转录过程中,必须产生可翻译的单链产物mRNA,但是RNA链何时以何种方式被分离也是未知的。

    5、延伸并退出的RNA双链被由两个nsp8高度保守的N端区域组成的长α螺旋延伸侧面相接。这些突出的nsp8延伸延伸至远离活性位点的28个碱基对,并利用定位于与RNA骨架相互作用的带正电的残基。2个nsp8亚基在RdRp复合体中采用不同的结构,并与nsp7和nsp12亚基进行不同的相互作用。nsp8的延伸在nsp8-nsp7复合物的晶体中也采用了不同的结构,并且在自由RdRp中是可移动的。这表明当一个RNA双链从酶中退出时,nsp8延伸在RdRp复合物中是灵活且有序的。

    6、nsp8与退出的RNA的相互作用可能解释了RdRp的进行性,这是冠状病毒等非常长的RNA基因组复制所必需的。根据以往报道,nsp8 K58残基突变为Ala对病毒是致命的。K58位于nsp8延伸区,与小沟周围的推出的RNA相互作用。nsp8的延伸可能是沿着退出的RNA滑动的滑动杆,以防止复制过程中RdRp的过早分离。

    7、为了研究RdRp如何结合加入的三磷酸核苷(NTP)底物,作者将以上结构叠加到诺如病毒RdRp-核酸复合物的相关结构上。结果显示NTP结合位点是保守的,N691、S682和D623残基可以识别NTP的2’-OH,从而使RdRp特异性地合成RNA而不是DNA。另外作者构建的模型也与三磷酸化的remdesivir与NTP位点的结合一致。

  • 原文来源:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2368-8
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