《挑战生命定义:诺奖得主全新发现,人体内存在前所未见的“病毒样分子”》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2024-02-20
  • 2024年2月12日,据学术经纬报道,斯坦福大学的研究团队发现,人体微生物中普遍存在一种挑战生命定义的全新病毒样元件。这种前所未见的传染因子,构成了人体微观世界中一直被忽视的成分。目前该论文可见于预印本网站bioRxiv,正在等待同行评议。

    由于不能独立于宿主细胞进行自我复制,一直以来,病毒都处在生命定义的模糊界线上。病毒的结构已经足够简单,但还有一类比病毒更加简洁的元件,这就是类病毒(viroid)。

    类病毒由植物病理学家在植物体内首次发现,它们是一种能感染宿主的环状RNA分子。相比于同样以RNA为遗传物质的RNA病毒,类病毒不具备后者典型的蛋白质衣壳;此外,不同于部分RNA病毒能编码自我复制所需的聚合酶,类病毒选择借助真核宿主的RNA聚合酶进行复制,因此类病毒的基因组更加简洁,也是已知最小的基因组。这种简洁性定义了生物信息传递的极限,也抛出了一个问题:为什么与RNA病毒相比,已知的类病毒如此之少见?

    科学家们长期认为类病毒仅存在于植物中,它们可以与植物的基因组互作,对植物尤其是农作物的生长发育造成影响。但在其他生命类型中,却没有发现类病毒存在的直接证据。近些年来,人们开始在更广泛的生命类型中展开探索,提出类病毒有可能存在于更多的活体系统中,但由于与已知类病毒缺少可检测的相似性而被忽视。

    斯坦福大学生物学家Andrew Fire教授领导的团队将目标锁定在人体微生物组中。2006年,时年47岁的Fire教授因在RNAi及基因沉默现象中的贡献获得了诺贝尔生理学或医学奖。在最新研究中,研究团队开发了一种生物信息学方法,对人类肠道微生物组的数据进行分析,从而鉴定其中可能存在的环状RNA类病毒元件。为此,研究团队检索了已发表的整合人类微生物组计划宏转录组数据,从超过500万个公开测序数据集中,鉴定出近3万个环状RNA。每个RNA分子由约1000个碱基构成,如此短的序列可能是我们长期忽视它们的原因之一。研究团队预测,这些分子能折叠为棒状的RNA二级结构。

    研究团队表示,它们不太可能是真正的病毒,因为其碱基数量比RNA病毒更少,并且似乎不会编码组成衣壳的蛋白。另一方面,这些环状RNA与已知的类病毒也有些区别。这些RNA分子能编码一种被命名为Oblin的全新蛋白,研究人员猜测这种蛋白可能参与了RNA的自我复制过程,因此这种元件比标准的类病毒更复杂。也就是说,这种环状RNA似乎是一种介于病毒与类病毒之间的全新元件。研究团队这种新发现的环形RNA命名为“Obelisk”(obelisk有方尖碑之意),并且指出这一发现可能有助于填补最简单的遗传分子与更复杂的病毒之间的鸿沟。

    关于Obelisk的一个重要发现是,其所含的基因与目前在其他生物体中发现的任何基因都不同,因此形成了一个独立的系统发育组,与特征性基因组或病毒组缺乏明显的同源性。作者在论文中写道,它们“组成了一种在人类以及全球微生物中定植,但长期被忽视的多样化RNA”。在检测的人类微生物数据库中,研究团队从7%的人类肠道细菌,以及50%的人类口腔细菌中发现了Obelisk序列。作者进一步分析了5项已发表的人类口腔与肠道微生物组研究的数据,发现Obelisk在472位志愿者中的总体流行率约为9.7%,并且Obelisk的分布具有明显的解剖学特异性,即来自身体不同部位微生物的Obelisk具有各不相同的序列。

    在此基础上,研究还从数据库中鉴定出了一组Obelisk与宿主的具体案例。研究发现,一种常见的口腔微生物——血链球菌(Streptococcus sanguinis)是Obelisk用于复制的一类宿主,其中包含了编码Oblin蛋白、长1137个碱基的环状RNA。研究团队指出,虽然目前尚不知道其他Obelisk的宿主,但有理由推测,至少有一部分存在于细菌之中。对于这种全新的RNA分子,还有很多有待解释的重要问题。例如,它们与病毒在演化中的关系是怎样的?病毒是由越来越复杂的Obelisk演化而来;还是说先出现病毒,随后病毒再退化为这些更简单的结构?另一方面,Obelisk与已知的类病毒有着怎样的不同?相信随着进一步研究的开展,这些神秘元件将为病毒以及其他原始生命的演变提供更加清晰的画卷。

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    • 编译者:zhoujie
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    • 北京时间4月9日下午5点,经国际权威学术刊物Nature邀请投稿,上海科技大学饶子和/杨海涛团队与合作者组成的“抗新冠病毒攻关联盟”在该期刊上联合发表了新冠病毒的重要研究成果“Structure of Mpro from COVID-19 virus and discovery of its inhibitors”,率先在国际上成功解析新型冠状病毒关键药物靶点——主蛋白酶(Mpro)的高分辨率三维空间结构,并综合利用三种不同的药物发现策略,找到针对新冠病毒的潜在药物。 这也是今年以来上科大在国际顶尖学术期刊发布的第三篇重大科研成果。今年1月31日,我校iHuman研究所执行所长刘志杰研究团队在人源大麻素受体结构与功能的最新研究成果,在Cell上在线发表;2月20日,iHuman研究所徐菲课题组与合作组解析首个孤儿受体三维结构的科研成果,在Nature上在线发表。 截至4月8日,全球累计确诊新冠肺炎约150万人,死亡人数超过8.7万人,已覆盖全球200多个国家和地区。新型冠状病毒与严重急性呼吸道综合征冠状病毒(SARS-CoV)和中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)具有较近的亲缘关系,因缺乏特效药和疫苗,针对新型冠状病毒的药物靶点科研攻关及新药研发迫在眉睫。 新型冠状病毒非常“狡猾”,在入侵细胞后,会立即利用细胞内的物质合成自身复制必需的两条超长复制酶多肽(pp1a和pp1ab)。这两条复制酶多肽需要被剪切成多个零件(如RNA依赖的RNA聚合酶、解旋酶等等);这些零件进一步组装成一台庞大的复制转录机器,然后病毒才能启动自身遗传物质的大量复制。两条复制酶多肽的剪切要求异常精确,因此病毒自身编码了一把神奇的“魔剪”——主蛋白酶(Mpro)。这把“魔剪”在复制酶多肽上存在至少11个切割位点,只有当这些位点被正常切割后,这些病毒复制相关的“零件”才能顺利组装成复制转录机器,启动病毒的复制。由于主蛋白酶这把“魔剪”在病毒复制过程中起到至关重要的作用,且人体中并无类似的蛋白质,因此主蛋白酶就成为一个抗新冠病毒的关键药靶。 其实在过去30年间至少出现了30种新发传染病(如SARS、 MERS等),如何能在疫情期间迅速找到具有临床潜力的药物仍然是一个重大挑战。为解决这一难题,攻关“联盟”首先瞄准了“老药”,即成药、临床试验药物以及天然产物;其次攻关“联盟”同时开展了从头设计、计算机虚拟筛选和高通量筛选三种不同的研究策略,三管齐下。 在从头设计的研究策略中,攻关“联盟”发现迈克尔受体N3是一个主蛋白酶的强效抑制剂,并率先解析了2.1Å的“主蛋白酶-N3”的高分辨率复合物结构(随后又提高至1.7Å),这也是世界上第一个被解析的新冠病毒蛋白质的三维空间结构。为方便相关的科技工作者第一时间开发以该酶为靶点的抗病毒药物,攻关“联盟”第一时间公开了研究成果,并在PDB蛋白质结构数据库(Protein Data Bank, PDB)公开了结构坐标。自1月26日起,团队已为国内外300多家高校、研究机构及企业的实验室直接提供了数据。该结构被PDB蛋白质结构数据库选为2020年2月的明星分子(February Molecule of the Month),并被PDB撰文报道。 此后,攻关“联盟”继续联合利用虚拟筛选和高通量筛选策略相结合的方式,对10000多个老药、临床药物以及天然活性产物进行筛选,发现了数种对主蛋白酶有显著抑制作用的先导药物,其中包括双硫仑(disulfiram)、卡莫氟(carmofur)、依布硒(ebselen)、紫草素(shikonin)、Tideglusib和PX-12等。后续的抗新冠病毒实验显示,依布硒和N3均能在细胞水平显著抑制新冠病毒的复制。值得一提的是,依布硒已用于治疗听力障碍等多种疾病的临床试验(完成临床二期),并具有很好的安全性表现。上述研究成果,为迅速开发具有临床潜力的抗新冠肺炎的药物奠定了重要基础。 上海科技大学、清华大学联合培养博士研究生靳振明、杜小宇为论文并列第一作者,上海药物所许叶春研究员、军事科学院军事医学研究院邓永强副研究员、武汉病毒所博士研究生刘美琴为论文的并列第一作者,上海药物所研究员兼上海科技大学免疫化学研究所特聘教授蒋华良院士、清华大学教授兼上海科技大学免疫化学研究所特聘教授饶子和院士、上海科技大学免疫化学研究所课题组长杨海涛研究员(兼生命科学与技术学院副教授)为共同通讯作者。上海科技大学为第一完成单位。“抗新冠病毒攻关联盟”由上海科技大学-清华大学饶子和/杨海涛团队、中国科学院上海药物所蒋华良团队、军事科学院军事医学研究院秦成峰团队以及中国科学院武汉病毒所石正丽团队、肖庚富团队等组成。国家蛋白质科学中心(上海)主任兼上海科技大学生命科学与技术学院教授许文青、澳大利亚昆士兰大学的Luke W. Guddat教授参与了此项研究。 攻关“联盟”中的饶子和院士研究团队自从2003年SARS暴发以来,在17年间一直致力于冠状病毒关键药靶的研究及抗病毒新药的研发。研究团队在SARS暴发期间,就曾在世界上解析了首个SARS病毒蛋白质(主要蛋白酶)的三维空间结构,为抗SARS药物的研发提供了关键结构依据;随后研究团队又设计和开发出首个抑制所有冠状病毒的广谱抑制剂。这些前期的研究都为本研究的顺利开展奠定了基础。 文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2223-y
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    • 来源专题:战略生物资源
    • 编译者:李康音
    • 发布时间:2023-12-04
    • 2023年10月2日,诺贝尔奖生理学或医学奖授予了mRNA技术的两位奠基人——Katalin Karikó、Drew Weissman。以表彰他们发现了核苷碱基修饰,从而开发出了有效的mRNA疫苗来对抗COVID-19。他们二人的发现对于在2020年初开始的大流行期间开发有效的mRNA疫苗来对抗COVID-19至关重要。他们的开创性发现,从根本上改变了我们对mRNA如何与免疫系统相互作用的理解,他们在现代人类健康面临最大威胁之一的时期,为前所未有的疫苗开发速度做出了贡献。 而就在去年,Drew Weissman 与张元豪等人创立了一家名为名为 Orbital Therapeutics 的公司。2023年4月,该公司宣布完成了高达2.7亿美元的A轮融资,用于RNA工具和下一代RNA药物的研发,同时还引入了两位新高管——Niru Subramanian 和 Jonathan Piazza,将分别担任首席运营官和首席财务官。在经历了2020、2021连续两年创纪录融资盛况后,2022年生物技术领域融资金额下降明显,动荡的市场冲击了生物技术的方方面面,导致相关公司上市前景黯淡、并购活动稀少、风险投资也出现明显回落。而 Orbital 公司联合创始人兼首席执行官 Giuseppe Ciaramella 博士表示,RNA确实有机会成为一种颠覆性工具,对于真正优质的项目,市场仍然有意愿支持这些想法。Orbital 公司此次2.7亿美元的巨额A轮融资也是今年上半年生物技术领域最大规模的融资金额,由 Arch Venture Partners 领投。 尽管市场环境充满挑战,但 Giuseppe Ciaramella 博士认为,Orbital 之所以能与投资者产生共鸣,是因为它拥有的RNA工具和技术,以及这家生物技术公司吸引来的团队成员。 2022年,Giuseppe Ciaramella  与许多其他杰出的联合创始人,包括斯坦福大学张元豪教授、mRNA疫苗先驱 Drew Weissman 教授等人,一起成立了这家年轻的生物技术公司,还包括 John Maraganore 博士,他是RNAi疗法巨头 Alnylam 公司的前创始首席执行官,现任 Orbital 公司董事长。Giuseppe Ciaramella 博士还是碱基编辑公司 Beam Therapeutics 的现任总裁,他此前在辉瑞、阿斯利康、勃林格殷格翰等大型制药公司积累了丰富的经验。还曾在 Moderna 公司担任传染病部门首席科学官,在开发首批用于人类的mRNA疫苗方面发挥了关键作用,这些疫苗最终导致Moderna开发出了mRNA新冠疫苗。 而现在,Giuseppe Ciaramella 希望 Orbital 公司能像当初 Moderna 一样,做类似的事情,释放RNA作为药物的全部潜力,实现改善全球健康的崇高目标,Orbital 公司正在建立一个新型平台,包括现有的和新兴的RNA技术、递送方法和自动化技术,目的是开发一种药物组合,提高RNA耐久性,将RNA扩大递送到更多的细胞类型和组织中。Giuseppe Ciaramella 表示,我们基本上已经收集了目前已知的RNA药物的最广泛的工具箱(之一),这一工具箱包括线性RNA、环状RNA和脂质纳米颗粒(LNP)。其中环状RNA技术授权自联合创始人张元豪(Howard Chang)所在的斯坦福大学。 目前,Orbital 公司的具体研究方向还不得而知,只知道他们有三个战略方向:下一代疫苗、免疫调节疗法、蛋白质替代疗法。2.7亿美元的A轮融资将用于进一步的平台开发、研究、加速项目和公司建设。 本文内容转载自“生物世界”微信公众号。 原文链接: https://mp.weixin.qq.com/s/k2l-vv3jgFwSuez3U3nJjw