撰文 | 亨利
新型冠狀病毒的爆發導致了全球範圍的大流行，導致全世界數以萬計的感染者和死亡者。RNA依賴RNA聚合酶（RdRp，又稱nsp12）在病毒內催化病毒RNA的合成，它也是冠狀病毒複製的核心組成部分，也是一個抗病毒藥物例如瑞德西韋的主要靶點。
2020年3月17日，饒子和院士領導新冠病毒攻關小組（主要成員包括上海科技大學的王權以及清華大學的婁智勇，均為本文的共同通訊作者）在生物學預印本bioRxiv發表文章Structure of RNA-dependent RNA polymerase from 2019-nCoV, a major antiviral drug target，報告了新冠病毒全長nsp12與輔助因子nsp7和nsp8複合物的冷凍電鏡結構，解析度為2.9埃（蛋白質結構資料庫PDB ID: 6M71），對於解析高解析度的病毒RdRp來說，是一個重要的突破。
他們利用大腸桿菌表達了全長新冠肺炎的nsp12（S1-Q932），並與在大腸桿菌中共表達的nsp7（S1-Q83）和nsp8（A1-Q198）孵育後，純化複合物，利用冷凍電鏡獲得了一個2.9解析度的複合物的三維重建結構，就像在SARS冠狀病毒nsp12-nsp7-nsp8複合物中觀察到的那樣，新冠肺炎的nsp12的結構包含一個「右手」聚合酶域（S367-F920），和一個獨特的N-末端擴展域（D60-R249）。
儘管新冠病毒的nsp12-nsp7-nsp8複合物的總體結構與SARS-CoV的大體相似，但也有一些關鍵特徵可以區分它們。在SARS冠狀病毒nsp12結構中，包含了有7個螺旋，末端有一個三鏈β-摺疊，構成NiRAN結構域。殘基Y69-R118由三條反平行的β鏈和一條螺旋構成一個額外的結構區域。殘基N215-D218，在新冠肺炎中形成β鏈。他們推斷，該區域與鏈（殘基V96-A100）的接觸有助於穩定鏈。因此，鑑定了殘基Y69-R249為完整的冠狀病毒NiRAN結構域。
其次，低溫電磁圖幫助我們識別一個獨特的N-末端β-髮夾。該β-髮夾插入到，由NiRAN結構域和RdRp結構域中的palm子結構域形成的凹槽中，形成一組緊密的穩定整體結構。同時，新冠病毒的nsp12中也未觀察到， SARS冠狀病毒nsp12中的H295-C301-C306-C310和C487-H642-C645-C646螯合的鋅離子。相比之下，蛋白結構顯示了C301-C306和C487-C645形成了二硫鍵結構。
研究者們分析了不同的純化緩衝液、低溫採樣和重建方法可能導致了這種變化。聚合酶結構域採用病毒聚合酶家族的保守結構，由三個子結構域組成，包括手指子結構域（殘基S397-A581和K621-G679）、手掌子結構域（殘基T582-P620和T680-Q815）和拇指子結構域（殘留物H816-E920）。未觀察到通常在病毒聚合酶結構中觀察到的用於RNA合成的催化陽離子，可能是因為錳未包含在純化緩衝液或冷凍EM取樣緩衝液中。
新冠病毒RdRp結構域的活性位點是由保守的聚合酶形成的掌紋結構域中的基序A-G，其結構類似於其他RNA聚合酶。基序A覆蓋殘基611-TPHLMGWDYPKCDRAM-626和潛在的二價陽離子結合殘基D618。基序B位於680-710胺基酸區域。Motif C（殘基753-fsmmilsdavvcfn-767）含有25個β鏈之間的催化殘基（759-SDD-761）。
圖片來源：Nature reviews drug discovery
在之前的一些研究報導中，提到瑞德西韋、法匹拉韋等都可能成為與病毒聚合酶結合的重要抗病毒藥物，本文作者預測了瑞德西韋三磷酸形式與複製酶複合物的潛在結合方式，為解釋藥物小分子和聚合酶藥物靶點提供了結構基礎。新冠肺炎在全球的迅速傳播，也更加讓人們意識到發展新型冠狀病毒疫苗和治療方法的必要性。新冠肺炎的多聚酶nsp12是一個很好的藥物靶點，特別是考慮到一些已有的核苷酸類似物進行結合，如remdesivir（瑞德西韋），聚合酶結構也為藥物篩選提供了重要的結構依據。