新冠病毒SARS-CoV-2引發的COVID-19疫情至今已造成全球4700多萬人感染和120餘萬人死亡。在病毒侵入宿主細胞後，所編碼的一系列非結構蛋白要形成複雜的超分子蛋白質機器「轉錄複製複合體」（RTC），包含了聚合酶、引物酶、解旋酶、甲基轉移酶、核酸酶以及多種輔因子蛋白，負責病毒轉錄複製的核心過程，涵蓋了眾多抗病毒藥物設計的關鍵靶點。
近日，清華大學醫學院饒子和院士、婁智勇教授團隊在Cell、Nature Communications上連續發表研究論文，闡明新冠病毒生命周期中核心的超分子蛋白質機器「轉錄複製複合體」的「帽結構合成中間狀態」與「核酸合成延伸狀態」兩個過程的分子機制，揭示新的抗病毒藥物作用靶點。
新冠疫情發生後，饒子和院士團隊針對抗病毒關鍵靶點，迅速開展科研攻關。先後闡明了兩個最關鍵藥物靶點蛋白的結構信息，即主蛋白酶Mpro，以及由聚合酶nsp12、引物酶nsp8和輔因子nsp7組成的「核心轉錄複製複合體」（C-RTC），以及C-RTC與核酸和瑞德西韋複合物的三維結構，為認識病毒的生命過程、發展高效抗病毒藥物提供了關鍵信息。2020年，這三項工作先後發表在Nature（詳見BioArt報導：Nature｜饒子和/楊海濤/蔣華良合作團隊解析新冠病毒水解酶結構並篩選出多種具有病毒抑制作用的小分子）【1】、Science（詳見BioArt報導：Science丨饒子和團隊解析新冠病毒RNA依賴RNA聚合酶（瑞德西韋靶點）高解析度結構）【2】和Cell上（詳見BioArt報導：Cell | 饒子和/龔鵬/王權合作描繪新型冠狀病毒RdRp-nsp7-nsp8轉錄複製機器在工作狀態下的核心特徵）【3】，也是至今為止抗新冠藥物靶點研究中引用最多的工作。
圖為饒子和院士在第十八次中國生物物理大會上做新冠病毒特邀報告，全面系統的總結了團隊圍繞冠狀病毒做出了一些列重要工作。
在此基礎上，清華大學醫學院饒子和院士、婁智勇教授團隊深入探索了新冠病毒RTC的工作機制，對RTC的動態過程進行系統劃分和定義，先後解析了「延伸轉錄複製複合體」（E-RTC）和「加帽中間態轉錄複製複合體」[cap(-1)』-RTC]的高解析度三維結構，闡明了新冠病毒轉錄複製的關鍵結構信息，發現了聚合酶nsp12在mRNA合成中的獨特機制，為發展高效抗病毒藥物提供了重要信息。
研究團隊利用獨特設計的RNA分子，成功組裝成由C-RTC和解旋酶nsp13構成的E-RTC，並解析其2.9埃的冷凍電鏡結構，首次提出了兩個解旋酶分子依次與C-RTC組裝，協同聚合酶完成RNA合成「backtrace」的複雜機制（圖1）。研究工作還闡明了解旋酶結合模板RNA的關鍵位點，為針對解旋酶開發抑制劑提供了關鍵結構基礎，研究結果於2020年11月18日在Nature Communications在線發表：Architecture of a SARS-CoV-2 mini replication and transcription complex【4】。
圖1 新冠病毒E-RTC的RNA合成延伸機制
隨後，研究團隊進一步針對新冠病毒mRNA的形成機制進行探索。新冠病毒的mRNA需要一個獨特的「帽結構」（cap），幫助完成病毒蛋白質翻譯、逃逸宿主先天免疫等生理過程。帽結構加工分為四步，即（1）由pppA-RNA生成ppA-RNA [cap(-2)]、（2）合成GpppA-RNA [cap(-1)]、（3）合成7MeGpppA-RNA [cap(0)]和（4）合成7MeGpppA2』OMe-RNA [cap(1)]。
研究團隊首先成功組裝成第二步向第三步過渡過程的轉錄複製複合體的關鍵狀態，將其命名為cap(-1)』-RTC，解析其2.8埃的冷凍電鏡結構（圖2）。該複合體由E-RTC和單鏈結合蛋白nsp9共同組成，nsp9通過其N端胺基酸與聚合酶nsp12上的核苷轉移酶（NiRAN）結構域結合，引導帽合成過程由第二步向第三步的過渡。隨後，進一步證實聚合酶nsp12的NiRAN結構域負責催化帽結構合成的第二步酶學反應，回答了冠狀病毒研究中近20年來懸而未決的問題，首次徹底明確了mRNA合成過程中全部的關鍵酶分子，為抗病毒藥物研發提供了新的靶點，相關研究成果於2020年11月15日在Cell在線發表Cryo-EM structure of an extended SARS-CoV-2 replication and transcription complex reveals an intermediate state in cap synthesis【5】。
圖2 新冠病毒cap(-1)』-RTC複合物2.8 解析度複合物結構
兩項成果的獲得，得益於研究團隊在冠狀病毒轉錄複製領域中17年多的長期積累。清華大學醫學院饒子和院士、婁智勇教授/長江學者特聘教授為兩篇論文的共同通訊作者，清華大學閆利明博士、博士生張盈、葛基、鄭禮濤，為兩篇論文的共同第一作者，研究工作得到上海科技大學和武漢大學合作者、以及上海科技大學冷凍電鏡平臺的重要支持。
圖為饒子和院士在第十八次中國生物物理大會上做集中展示團隊中病毒結構與功能研究的骨幹成員
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19770-1
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31533-6
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來源：結構生物學高精尖創新中心