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施一研究組揭示新型冠狀病毒的核心聚合酶復合物結構和生化特性并為冠狀病毒適應性進化提供線索

作者: 發布時間:2020.06.03 文章來源:

  2020530日,中國科學院微生物研究所施一研究組在Cell Reports在線發表題為“Structural and biochemical characterization of nsp12-nsp7-nsp8 core polymerase complex from COVID-19 virus”的研究論文,該研究描述了其核心聚合酶復合物的近原子分辨率結構,該復合物由nsp12催化亞基和nsp7-nsp8輔助因子組成。它的結構與SARS-CoV中相對應的結構高度類似,具有典型的RNA依賴的RNA聚合酶的保守基序,并暗示了輔助因子激活的機制。生化研究表明,與SARS-CoV病毒相比,SARS-CoV-2病毒核心聚合酶復合物的活性降低,單個亞基的熱穩定性降低,提示其具有更好的人適應性特征。 

 

  由于新病例的迅速增加,2019年冠狀病毒?。?/span>COVID-19)很快引起了全球關注。目前人們認為新型冠狀病毒的感染是從動物開始傳播的,病原體為SARS-CoV-2。自20201月以來,該病毒已迅速傳播到中國大部分地區和其他國家,形成全球大流行。截至目前(202061日),據約翰·霍普金斯大學發布的實時統計數據,全球累計新冠肺炎確診病例超過630萬例,死亡人數達37萬。 

 

  SARS-CoV-2屬于冠狀病毒科(Coronaviridae),這是一組具有廣泛宿主范圍的正義RNA病毒。目前,已總共鑒定出七種感染人類的冠狀病毒,其中SARS-CoV-22002-2003年出現的SARS-CoV在基因組序列上的相似性最高。兩種病毒利用相同的宿主受體血管緊張素轉換酶2ACE2)進入細胞,并引起呼吸道癥狀,可能發展為嚴重的肺炎并導致死亡。然而,與SARS-CoV相比,SARS-CoV-2具有更高的傳播率和更低的致死率。大多數感染所導致的癥狀輕微,并且還有許多無癥狀感染病例。這些特性使SARS-CoV-2可以在人與人之間更迅速地傳播,從而導致大流行。闡明SARS-CoV-2的感染和復制行為將為了解其獨特的發病機理和宿主適應特性提供關鍵信息。 

 

   1. 新冠病毒核心聚合酶復合體三維結構

 

 

  冠狀病毒的復制由其基因組中的開放閱讀框1aORF1a)和ORF1ab編碼的一組非結構蛋白(nsps)負責,這些蛋白最初翻譯為多蛋白,然后進行蛋白水解、切割以及成熟。這些蛋白質組裝成一個多亞基聚合酶復合體,以介導病毒基因組的轉錄和復制。其中,nsp12是具有RNA依賴的RNA聚合酶(RdRp)活性的催化亞基。雖然,nsp12本身能夠以極低的效率進行聚合酶反應,而nsp7nsp8輔助因子的存在會顯著促進其聚合酶活性。因此,將nsp12-nsp7-nsp8亞復合體定義為介導冠狀病毒RNA合成的最小核心組件。為了實現病毒基因組的完整轉錄和復制,還需要幾個其他的nsp亞基組裝成完整的轉錄復制復合體,其中包括nsp10,nsp13,nsp14nsp16,但對于它們在RNA合成過程中是如何發揮具體功能的機制尚不清楚。 

 

   由于宿主的免疫選擇,病毒的表面抗原蛋白易于發生漂移,與之相比,病毒聚合酶發生突變的概率較小,并且具有更高的進化穩定性,顯示出作為高效抗病毒藥物靶標的巨大前景。因此,了解SARS-CoV-2聚合酶復合物的結構和功能是開發新型治療藥物的必要前提。 

 

  在該研究中,研究人員描述了其核心聚合酶復合物的近原子分辨率結構,該復合物由nsp12催化亞基和nsp7-nsp8輔助因子組成。它的結構與SARS-CoV中相對應的結構高度類似,具有典型的RdRp保守基序,并暗示了輔助因子的激活機制。生化研究表明,與SARS-CoV病毒相比,SARS-CoV-2病毒核心聚合酶復合物的活性降低,單個亞基的熱穩定性降低。 

  

  分子流行病學研究發現SARS-CoVSARS-CoV-2可能都來源于蝙蝠。此前的流行病學動力學分析顯示,SARS-CoV并沒有完全適應果子貍和人這些宿主,而SARS-CoV-2卻表現出在人群中高效的復制和傳播,并且迄今為止還沒找到中間動物宿主,提示這兩種病毒在進化上存在較大差異。相關研究發現,人體體溫要低于蝙蝠體溫,在飛行時蝙蝠體溫可高達40攝氏度以上。SARS-CoV-2病毒核心聚合酶復合物亞基的熱穩定性降低,暗示SARS-CoV-2病毒經過長期進化,已經比SARS-CoV病毒具有更好的人適應性特征。 

   2. 新冠病毒與非典冠狀病毒核心聚合酶結構與生化性質比較

 

  總之,該研究對SARS-CoV-2核心聚合酶復合物的結構和生化分析提高了我們對不同病毒RdRps合成RNA的機理的認識。此外,SARS-CoV-2SARS-CoV聚合酶組分的不同生化特性為冠狀病毒適應性進化提供了線索。 

  

  中國科學院微生物研究所彭齊助理研究員,彭如超助理研究員,博士生袁斌,碩士生趙靜茹為論文并列第一作者;中國科學院微生物研究所施一研究員為論文通訊作者。 

  

  文章鏈接:https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)30754-3 

 


 
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