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Science|徐华强/张岩/张抒扬/许叶春合作团队解析新冠重要药靶RNA复制酶结合瑞德西韦的结构并揭示其抑制机制

  •   中国科学院上海药物研究所联合浙江大学和北京协和医院等多家单位,于北京时间2020年5月1日,以Structural Basis for Inhibition of the RNA-Dependent RNA Polymerase from SARS-CoV-2 by Remdesivir为题在国际权威学术刊物Science在线发表了关于新冠病毒的重要研究成果。团队首次解析新冠肺炎病毒重要药靶RNA复制酶和抑制剂瑞德西韦(Remdesivir)的高分辨冷冻电镜结构,阐述RNA复制酶结合RNA的模式,以及瑞德西韦抑制RNA延伸的机制,为基于病毒基因的复制酶的抗新冠病毒药物以及广谱抗病毒药物研发提供了理论机制和结构基础。

      新冠肺炎(COVID-19)的病原体是一种新型冠状病毒(SARS-CoV-2),与引起2003年严重急性呼吸道综合征的冠状病毒(SARS-CoV)和2012年中东呼吸综合征的冠状病毒(MERS-CoV)同属一类冠状病毒,亲缘关系较近。新冠肺炎疫情发生以来,已经在全球范围内蔓延。目前,全球新冠肺炎确诊病例超过315万例,死亡病例逾22万例。全球许多国家对抗这次新冠肺炎疫情仍然面临巨大挑战,寻找一套有效的治疗方案非常迫切。

      新冠肺炎病毒是一种正链RNA病毒,RNA的5’端具有甲基化的帽状结构,3’端具有聚腺苷酸化的尾巴。基因组全长27~32kb,是目前已知RNA病毒中基因组最大的。新冠肺炎病毒主要通过黏膜系统侵染人体细胞。进入细胞后,病毒基因开始翻译病毒复制所需蛋白,翻译后经酶切最终组成病毒RNA复制转录复合体。然而,病毒的大量复制需要其遗传物质RNA的迅速合成。该过程是由病毒的多个非结构蛋白(nsp)组成的多亚基复制转录复合体介导的。其核心元件是RNA复制酶,是冠状病毒复制的核心组成部分。目前正在临床测试的多个核苷类药物,包括瑞德西韦,就是靶向RNA复制酶。瑞德西韦是一种前药形式,在体内被代谢成三磷酸形式的活性产物,才能引起病毒RNA链延伸过程的错配或终止。

      为了阐述瑞德西韦等核苷类药物抗病毒的精细机制,上海药物研究所联合浙江大学、北京协和医院等多家单位,经过46天的日夜奋战,成功解析新冠肺炎病毒RNA复制酶2.8埃分辨率的单独结构以及结合RNA和抑制剂瑞德西韦分辨率为2.5埃复合物的冷冻电镜结构。复合物结构与单独结构整体构象非常相似,仅在部分功能区域有一定的构象改变。综合研究和分析,新冠病毒RNA复制酶在复制RNA延伸过程中,构象变化小,是一种非常高效的酶,解释了新冠病毒的高度传染能力。RNA复制酶识别RNA而不识别DNA,并且结合RNA没有序列特异性。研究阐述了瑞德西韦如何进入复制活性中心并共价插入病毒基因组,从而抑制病毒复制,从结构上解释了瑞德西韦的抗病毒机制;对比分析其他多种RNA病毒,包括脊髓灰质炎病毒、丙型肝炎病毒和流感病毒等,其活性中心高度相似,显示RNA复制酶在基因复制过程中的相似机制,该复合物结构为广谱抗病毒药物的研发提供结构基础。瑞德西韦复合物结构为当前其它在研的潜在抗病毒药物研发提供结构依据,有助于研究潜在的结合方式,为设计更强大更高效更特异性的抗新冠病毒药物提供理论支撑。

      新冠肺炎目前尚无特效药物。因为与宿主蛋白同源性低,对病毒生命周期至关重要的酶是极好的抗病毒药物靶点。其中,RNA复制酶是许多核苷类药物的主要靶点。本研究报道新冠肺炎病毒重要药靶RNA复制酶的单独结构,及同时结合RNA和抑制剂瑞德西韦的高分辨冷冻电镜结构。这些结构揭示模板引物RNA是如何被识别,以及瑞德西韦对链延伸的抑制机制。结构比较和序列比对表明,不同RNA病毒RNA复制酶的底物RNA识别和瑞德西韦抑制模式具有高度的相似性,为设计基于核苷酸类似物的广谱抗病毒药物奠定了基础。此外,此次解析的结构还为建模和改造核苷酸类药物提供了一个坚实的模板。这些结果为更有效设计下一代抗新冠病毒抑制剂提供了更坚定的结构基础。

      中国科学院上海药物研究所徐华强课题组博士后尹万超为论文第一作者,浙江大学博士后毛春友、研究助理沈丹丹和博士后沈庆亚,清华大学医学院博士生栾晓东以及中国科学院大学博士生(培养单位:上海药物研究所)苏海霞为论文的共同第一作者,国科大博士生导师、上海药物研究所徐华强研究员、浙江大学张岩教授、北京协和医院张抒扬教授和国科大博士生导师、上海药物研究所许叶春研究员为共同通讯作者。中国科学院上海药物研究所为第一完成单位。此项工作获得了浙江大学电镜中心和上海药物所电镜中心的大力支持。中科院上海药物所蒋华良和沈敬山课题组在瑞德西韦三磷酸活性成分合成方面给予及时、重要的关键贡献。

    新冠肺炎病毒的RNA复制酶结合RNA和抑制剂瑞德西韦复合物的冷冻电镜结构。(A),复合物结构的冷冻电镜电子密度图;(B)复合物结构活性部位的表面视图;(C)RNA复制酶活性位点的近距离视图,显示了与瑞德西韦相互作用的关键残基和碱基。

      文章链接:

      https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/30/science.abc1560 

    责编 :杨慧娴