解讀!揭秘感染細胞中SARS-CoV-2的全長RNA基因組的精細化結構!

2020年7月29日 訊 /生物谷BIOON/ --由單鏈RNA病毒SARS-CoV-2引起的COVID-19大流行會跨越物種感染人類，目前已經在全球範圍內迅速蔓延開了，其感染人數超過了1000萬，COVID-19感染者的症狀可以從很輕到很重，包括發燒、咳嗽、咽喉痛及呼吸急促等，截至目前為止，科學家們正在不斷研究尋找抗病毒藥物和治療性手段，但他們對SARS-CoV-2的結構和生物學機制還缺乏完整的了解。

近日，一篇發表在預印版網站bioRxiv上題為「Structure of The Full SARS-Cov-2 RNA Genome in Infected Cells」的研究報告中，來自懷特黑德生物醫學研究所等機構的科學家們通過研究描述了在病毒轉錄過程中國扮演關鍵調節作用的SARS-CoV-2的RNA精細化結構，同時還揭示了病毒內一些主要藥物靶點結構的顯著差異。

對冠狀病毒的早期研究結果表明，有幾個保守區域在病毒複製過程中扮演著關鍵角色，比如5』UTR、3』UTR和移碼元素（FSE），利用包括RNAse探針和核磁共振（NMR）光譜學技術對實驗數據進行計算就能夠得出病毒的結構，此外，這些亞基因組區域內的二級結構對病毒的複製和轉錄功能也非常重要。比如，FSE就位於ORF1a/ORF1b邊界附近，其作用是將核糖體閱讀框移動一個核苷酸的位置，這就能繞過ORF1a末端的終止密碼子，並為暴露ORF1b編碼的蛋白質提供機會，比如病毒RNA依賴性的RNA聚合酶（RdRP），對於許多病毒而言，移碼的速度會受到嚴格的調節，因為移碼百分比的微小改變都會促進基因組RNA產生以及感染所需病毒劑量發生巨大改變。基於這一原因，FSE就成為了一個主要的治療性靶點，目前研究人員正在調查小分子藥物是否能改變核糖體的滑動速度從而抑制病毒蛋白質的翻譯。

圖片來源：Tammy C. T. Lan, et al. bioRxiv (2020) doi:10.1101/2020.06.29.178343

SARS-CoV的FSE與SARS-CoV-2幾乎完全相同，其僅有1個核苷酸的差異，NMR研究結果表明其是一個攜帶3個莖的假結結構，這種假結結構的存在會導致核糖體的功能停頓，隨後就會反移一個核苷酸來釋放這種張力，截止到目前為止，研究者並不清楚在SARS-CoV-2中的移位速度。對於FSE目前並沒有有效的RNA結構模型，研究者並不清楚CoVs其它功能重要的基因組元件，其中包括大多數轉錄調節序列（TRS），這些段序列對於亞基因組RNA（sgRNAs）的轉錄至關重要。

早期的矽計算模型能通過利用用於全基因組RNA分析的化學探針進行改進，目前研究人員使用探針硫酸二甲酯（DMS）來探測整個RNA基因組的二級結構，研究者表示，我們的研究結果揭示了矽片內預測的重大差異，同時還強調了已知的功能元件的生理結構；隨後他們將DMS添加到被感染的Vero細胞中，並利用測序進行突變分析，因為DMS在體內能迅速與未配對的腺嘌呤的胞嘧啶配對，隨扈研究者在5』UTR內發現了5個莖環結構（SL），並在ORF1a起始附近發現了3個莖環結構，其均具有不同的重要功能。

病毒的複製需要SL1，而該區域高度保守的SL2也是複製所需要的，SL3則包含不連續轉錄所需要的領袖TRS，SL4是sgRNA合成所必需的，其能保持上遊和下遊莖環之間的適當距離。同時研究者還發現，FSE在細胞內能形成兩種不同的結構（即結構1和2），但後期他們還需要進一步研究來闡明是否通過將核糖體停止在滑移位點而不是遠離其的位點來提高移碼的效率。

此前研究結果表明，在滑動序列上遊形成假結點或穩定的莖能夠改善移碼率，但目前研究者並不清楚是否有特殊的研究來分析感染細胞中ORF1ab的翻譯效率，研究者表示，N蛋白能參與結合併解繞TRS從而使其發揮作用，如果TRS的穩定性被改變或許就會降低與N蛋白的親和力，進而改變sgRNAs的表達，這或許有望成為另一個治療性靶點。

總的來講，研究人員在整個基因組中發現了幾個主要的RNA結構，同時還提出了一種新型的FSE模型，後期研究人員還將繼續深入研究闡明SARS-CoV-2 FSE的替代結構到底是通過什麼機制以及在多大程度上來調控ORF1ab翻譯的，以及FSE是否能在細胞中摺疊成為一種假結結構，相關研究結果或有望幫助科學家們後期開發出更多治療SARS-CoV-2的新型療法或預防性措施。（生物谷Bioon.com）

參考資料：

【1】Structure of the full SARS-CoV-2 RNA genome in infected cells

【2】Tammy C. T. Lan, Matthew F. Allan, Lauren E. Malsick, et al. Structure of the full SARS-CoV-2 RNA genome in infected cells,bioRxiv (2020) doi:10.1101/2020.06.29.178343