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《阐明新冠病毒mRNA合成、基因组复制矫正和逃逸核苷类抗病毒药物的分子机制》

  • 来源专题：新发突发疾病（新型冠状病毒肺炎）
  • 编译者： 蒋君
  • 发布时间：2021-06-07

  • 2021年5月24日，清华大学饶子和院士、娄智勇教授团队与上科大高岩博士合作在Cell发表研究论文，解析了新冠病毒超分子蛋白质机器“转录复制复合体”关键状态的三维结构，揭示了病毒mRNA加帽、基因组复制矫正、逃逸核苷类抗病毒药物的分子机制。

    研究团队成功解析了Cap(-1)-RTC与nsp10/nsp14形成的超级复合体Cap(0)-RTC的三维结构。研究提出的in trans backtracking的复制矫正机制，与真核/原核细胞RNA聚合酶Pol II的复制矫正机制具有一定的类似性，表明作为基因组最复杂的RNA病毒，新冠病毒的转录复制过程已与高等生物具有一定的类似性。同时，复制矫正机制是新冠病毒逃逸核苷类抗病毒药物的关键机制，一旦核苷类药物被加入RNA产物链中，即会被病毒的复制矫正过程去除，从而丧失抑制活性，目前仅有NHC及其衍生物可以逃逸该过程。该成果也将对未来进一步优化和发展新型核苷类抗病毒药物提供关键的结构基础。

  • 原文来源：;https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00663-2
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相关报告

  • 《Nature：新型抗病毒药物组合高度有效对抗新冠病毒》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2022-02-20
    • 在一项新的研究中，由美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院和马里兰大学医学院的研究人员领导的一个研究团队鉴定出一种强大的抗病毒药物组合来治疗COVID-19。他们发现将药物 brequniar与美国食品药品管理局（FDA）批准用于紧急使用的瑞德西韦（remdesivir）或莫那比拉韦（molnupiravir）联合使用可抑制人类呼吸细胞中和小鼠体内的SARS-CoV-2病毒。这些研究结果表明这些药物联合使用时比单独使用时更有效。相关研究结果于2022年2月7日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Pyrimidine inhibitors synergize with nucleoside analogues to block SARS-CoV-2”。 论文共同通讯作者、宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院病理学与检验医学教授 Sara Cherry 博士说，虽然它们尚未在临床试验中进行测试，但是他们研究中确定的药物组合有可能成为非常有前途的 COVID-19 治疗方法。Cherry与宾夕法尼亚大学高通量筛选核心技术总监 David Schultz 博士和马里兰大学医学院病原体研究中心的 Matthew Frieman 博士一起领导了这项研究。 Cherry，“鉴定抗病毒药物的组合使用非常重要，不仅因为这样做可能会增加这些药物对抗冠状病毒的效力，而且药物组合使用还可以降低耐药风险。” 作为导致 COVID-19 的冠状病毒，SARS-CoV-2已感染 3.82 亿人，并导致全球 500 万人死亡。仍然迫切需要治疗 COVID-19 的疗法，而可能逃避疫苗的SARS-CoV-2新变体威胁加剧了这种需求。为了响应这一需求，该研究团队通过使用人类呼吸道上皮细胞中的活 SARS-CoV-2感染，筛选了 18000 种药物以寻找抗病毒活性，因为肺细胞是这种病毒的主要作用靶标。 这些作者确定了 122 种对这种冠状病毒具有抗病毒活性和选择性的药物，其中包括16种核苷类似物——临床上使用的最大类别的抗病毒药物。在这16种药物中，有瑞德西韦---它通过静脉注射给药，并已被FDA批准用于治疗 COVID-19---和莫那比拉韦，一种口服药丸，于去年 12 月获准使用。 同样在这122 种候选药物中，这些作者确定了一组宿主核苷生物合成抑制剂，包括实验性药物brequinar。核苷生物合成抑制剂的作用是阻止人体自身的酶制造核苷，从而阻止病毒“窃取”RNA碱基并进行复制。 Brequinar 目前正在临床试验中作为 COVID-19治疗和作为某些癌症潜在联合治疗的一部分进行测试。 这些作者猜测将 brequinar 与核苷类似物（如瑞德西韦或莫那比拉韦）结合使用，可以“协同”产生更有效的抗病毒作用。当两种或多种药物的总作用大于每种药物的单独作用的总和时，就会发生协同相互作用。 Cherry 说，“我们认为，使用这些核苷类似物同时降低宿主核苷的水平可能会协同起作用，从而超级摧毁这种病毒。真是太神奇了，当你把它们结合起来时，这种病毒就完全死亡了。” 这些作者在肺细胞和小鼠中测试了这些药物，发现这些药物组合对多种冠状病毒株非常有效，包括 Delta 变体。该团队现在正在测试它们对抗 Omicron变体的效果。 此外，这些作者发现 Paxlovid（一种最近也获得 FDA 授权的口服抗病毒药物）可以与瑞德西韦或莫那比拉韦的联合使用对 SARS-CoV-2产生“附加”效果。 下一步将是在临床试验中测试这些药物组合。Frieman说，“随着新毒株的出现，对新疗法的需求仍然至关重要。我们如今知道，有许多强大的药物组合有潜力改变这种病毒的传播轨迹。” 参考资料： David C. Schultz et al. Pyrimidine inhibitors synergize with nucleoside analogues to block SARS-CoV-2. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04482-x.
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  • 《Cell：从结构上揭示新冠病毒复制/转录复合物中解旋酶-聚合酶偶联机制》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2020-08-03
    • 冠状病毒属于套式病毒（Nidovirales）目，是一类正链RNA（+RNA）病毒。这些病毒是几种人畜共患传染病的罪魁祸首。致命的事件包括2003年由SARS-CoV引起的严重急性呼吸道综合征（SARS）大流行和由MERS-CoV引起的中东呼吸道综合征（MERS）疫情。作为一种β冠状病毒，SARS-CoV-2已被确定为当前全球破坏性的2019年冠状病毒病（COVID-19）大流行的原因。 套式病毒包含已知最大的RNA基因组。套式病毒RNA依赖性RNA聚合酶(RdRp，由非结构蛋白12编码，缩写为nsp12)在RdRp 全酶（holo-RdRp，包括nsp7/nsp82/nsp12）中发挥作用，合成所有病毒RNA分子。RdRp是瑞德西韦等抗病毒药物的靶点。除了在病毒基因组的复制和转录中发挥核心作用外，RdRp还包含一个N端套式病毒RdRp相关的核苷酸转移酶（nidovirus RdRp-associated nucleotidyltransferase, NiRAN）结构域，这个结构域功能未知，但具有对病毒传播必不可少的酶活性。 holo-RdRp被认为在病毒生命周期中与一些辅助因子进行协调。这些辅助因子之一是nsp13，它是一种以NTP依赖的方式以5'->3'极性解开DNA或RNA的超家族1B（SF1B）螺旋酶。这种螺旋酶对于套式病毒马动脉炎病毒（equine arteritis virus, EAV）和β冠状病毒小鼠肝炎病毒的复制是必不可少的，并被推测在所有套式病毒中都是必不可少的。这种螺旋酶被认为在病毒生命周期的许多方面发挥着关键作用。除了具有螺旋酶活性，nsp13还具有可能在mRNA加帽中发挥作用的RNA 5'-三磷酸酶活性。 除了具有SF1螺旋酶的两个经典的RecA ATP酶结构域，nsp13还含有套式病毒螺旋酶特有的三个结构域：一个N端锌结合域（ZBD）、一个柄和一个1B结构域。在体内，这些结构域在nsp13功能中的作用尚不清楚，但是这些结构域中或它们之间的界面发生的替换突变对体外螺旋酶的活性以及病毒传播有破坏性影响。 生物化学和生物物理学研究提示着nsp13和nsp12相互作用，但是它们之间形成的一种稳定的复合物尚未通过生物化学手段分离出来，也未从结构上加以表征，而且这种螺旋酶在SARS-CoV-2复制-转录中的机制作用尚不清楚。 在一项新的研究中，来自美国洛克菲勒大学、纽约结构生物中心和瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员获得了稳定的nsp13:holo-RdRp:RNA复合物，并通过低温电镜（cryo-EM）解析出它的三维结构，标称分辨度为3.5埃。这种复合物的结构限制了nsp13的功能模型，并提出nsp13可能促进复制/转录复合物（replication/transcription complex, RTC）向后移动（称为回溯），因而可能影响它的校正和模板切换功能。利用解析出的三维结构，他们还确定了ADP-Mg2+在套式病毒特异性NiRAN结构域活性位点中的结合位置，这为抗病毒治疗开发提供了一个新的靶标。相关研究结果于2020年7月28日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Structural basis for helicase-polymerase coupling in the SARS-CoV-2 replication-transcription complex”。 在nsp13:holo-RdRp:RNA复合物的结构中，螺旋酶nsp13与RTC的主要相互作用决定因素发生在nsp13-ZBD和nsp8-N末端延伸片段之间。这两个结构元素都是套式病毒所特有的，并且它们的相互作用界面在α冠状病毒和β冠状病毒属内是保守的，这表明这种相互作用代表了SARS-CoV-2复制/转录的一个关键方面。在之前的研究中，对SARS-CoV-1 ORFeome进行的蛋白-蛋白相互作用分析已确定了nsp8是病毒蛋白-蛋白相互作用的中心枢纽。nsp8a和nsp8b的结构架构，以及它们的长N端螺旋延伸，为一系列复制/转录因子的结合提供了一个大的结合面。 这种复合物的结构揭示ADP-Mg2+占据NiRAN结构域的活性位点，这可能是因为RdRp样品在网格制备之前用ADP-AlF3孵育。ADP与nsp13没有发生碱基特异性相互作用；nsp12-NiRAN-H75与腺嘌呤碱基形成阳离子-π相互作用，但是这种相互作用预计不是强烈的碱基特异性，结构建模也没有为碱基特异性相互作用提供明显的备选方案。在NiRAN结构域An对齐中，对应于H75的位置并不是保守的，这表明；i）这个氨基酸残基不是NiRAN结构域活性位点的碱基特异性的决定因素，ii）NiRAN结构域的碱基特异性在不同的套式病毒之间存在差异，或者iii）在一般情况下，NiRAN结构域的活性不表现出碱基特异性。 这些作者注意到NiRAN结构域的酶活性对病毒传播至关重要，但是它的作用靶标是未知的。需要开展进一步的实验才能更全面地了解NiRAN结构域的活性、它的首选底物以及它的体内靶标，而这些可能在不同的套式病毒中有所不同。这些结果为研究这些问题的生化、生物物理和基因实验提供了结构基础，也为抗病毒药物开发平台提供了结构基础。
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