近日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院（以下簡稱“廣州健康院”）、廣州國家實(shí)驗(yàn)室等單位聯(lián)合在學(xué)術(shù)期刊Nature communications上發(fā)表題為“Cryo-EM structures of Thogoto virus polymerase reveal unique RNA transcription and replication mechanisms among orthomyxoviruses” (Thogoto病毒聚合酶的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)揭示了正粘病毒中獨(dú)特的RNA轉(zhuǎn)錄和復(fù)制機(jī)制)的研究論文。
RNA的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制是RNA病毒生命周期中至關(guān)重要的步驟。然而，這些過程受到宿主細(xì)胞的嚴(yán)格監(jiān)控。例如，天然免疫相關(guān)RNA受體RIG-I能夠識別病毒產(chǎn)生的沒有cap-1結(jié)構(gòu)的RNA，從而誘導(dǎo)細(xì)胞進(jìn)入抗病毒狀態(tài)。流感病毒是一類重要的呼吸道病原，它們長期以來是正黏病毒家族重要的代表。流感病毒的RNA聚合酶具有帽子搶奪（cap-snatching）活性，通過其帽子結(jié)合域（cap- binding domain）和核酸內(nèi)切酶結(jié)構(gòu)域（endo-nuclease domain）活性掠奪宿主mRNA5'端具有帽子結(jié)構(gòu)的10-14 核苷酸長的寡聚核苷酸片段，作為引物來啟動病毒mRNA合成。這種機(jī)制使流感病毒mRNA與宿主mRNA難以區(qū)分，從而幫助流感病毒抑制誘導(dǎo)宿主的免疫反應(yīng)。此外，最近的研究表明，宿主因子ANP32對流感病毒的RNA合成至關(guān)重要，決定了病毒的宿主范圍和感染能力，ANP32與流感病毒聚合酶的不兼容構(gòu)成了流感病毒跨種傳播的主要障礙之一。
Thogotovirus是正粘病毒家族中的一個(gè)重要的屬。其成員以多種蜱蟲為載體，有證據(jù)顯示該屬病毒能夠較為高效地跨種感染多種哺乳動物。近年來多有Thogotovirus屬病毒感染人類并導(dǎo)致死亡的報(bào)道。有研究表明，Thogotovirus屬最早發(fā)現(xiàn)的成員 - Thogoto 病毒（Thogoto virus,THOV）轉(zhuǎn)錄的mRNA雖然具有帽子結(jié)構(gòu)但缺少流感病毒中由帽子搶奪機(jī)制引入的10-14 核苷酸長的異源5'序列，這使得其RNA轉(zhuǎn)錄機(jī)制存在謎團(tuán)。
在該研究中，通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，研究人員捕獲了THOV 聚合酶在RNA合成過程中的十個(gè)不同的構(gòu)象。這些結(jié)構(gòu)重現(xiàn)了THOV?RNA聚合酶在RNA轉(zhuǎn)錄和復(fù)制過程中的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)與多樣的構(gòu)象變化。重要的是，這些結(jié)構(gòu)顯示THOV聚合酶可以分別以有帽和無帽的二核苷酸引物啟動RNA轉(zhuǎn)錄和復(fù)制。結(jié)合THOV聚合酶的帽子結(jié)合和核酸內(nèi)切酶結(jié)構(gòu)域沒有活性的現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)提示，THOV聚合酶的帽子搶奪機(jī)制可能是非工作的，THOV可能利用細(xì)胞產(chǎn)生的有帽二核苷酸作為引物啟動mRNA的轉(zhuǎn)錄合成。這些發(fā)現(xiàn)與流感病毒聚合酶帽子搶奪機(jī)制依賴的mRNA轉(zhuǎn)錄機(jī)制形成了鮮明對比。
正黏病毒聚合酶也需要合成無帽的RNA產(chǎn)物進(jìn)行病毒RNA基因組的復(fù)制。宿主因子酸性核蛋白-ANP32已被證明在流感病毒的RNA復(fù)制過程中介導(dǎo)聚合酶形成一種非對稱聚合酶二聚體，其中一個(gè)聚合酶用于合成產(chǎn)物RNA，而另一個(gè)聚合酶用于接收產(chǎn)物RNA。因此ANP32對流感的RNA復(fù)制過程至關(guān)重要。該研究卻發(fā)現(xiàn)，THOV聚合酶僅進(jìn)行產(chǎn)物RNA合成便能誘導(dǎo)聚合酶構(gòu)象改變形成不對稱二聚體，不需任何宿主因子的介導(dǎo)。這也與流感病毒聚合酶的RNA合成機(jī)制形成鮮明對比。通過系列生化和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，研究人員確認(rèn)了，與流感病毒不同，THOV聚合酶的RNA合成在人細(xì)胞中對宿主因子ANP32A/B/E的依賴性很弱，可能是其能夠較為高效地跨種感染多種哺乳動物的原因之一。
本研究從結(jié)構(gòu)、生化和細(xì)胞層面，展示了THOV聚合酶在RNA合成和宿主因子利用方面相對于流感病毒的獨(dú)特性。其對宿主因子ANP32的弱依賴性一定程度地解釋了Thogotovirus屬較廣的感染譜，推進(jìn)了對流感病毒等正黏病毒跨種傳播分子機(jī)制的理解。研究擴(kuò)展了現(xiàn)有的主要從流感病毒研究中建立的正粘病毒RNA合成機(jī)制，有助于歸納這類重要病毒的RNA合成共性機(jī)制，為后續(xù)廣譜抗病毒藥物的開發(fā)提供信息。
廣州健康院熊曉犁研究員和廣州國家實(shí)驗(yàn)室陳新文研究員為本文的共同通訊作者。廣州健康院助理研究員薛璐博士和科研助理常添彩為論文的共同第一作者。研究獲得廣州健康院何俊研究員與鮑習(xí)琛研究員團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院武漢病毒研究所龔鵬研究員團(tuán)隊(duì)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱獸醫(yī)研究所王曉鈞研究員團(tuán)隊(duì)等的鼎力合作與支持。該研究成果得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
圖1??THOV 聚合酶在RNA合成過程中呈現(xiàn)不同的構(gòu)象
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