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Cell | 饶子和/娄智勇/高岩发现生物界中RNA加帽的新机制

iNature 2022-12-11

iNature


病毒RNA加帽的修饰在SARS-CoV-2增殖中起着至关重要的作用。

2022年10月4日,清华大学饶子和、娄智勇及上海科技大学高岩共同通讯在Cell 在线发表题为“A mechanism for SARS-CoV-2 RNA capping and its inhibition by nucleotide analogue inhibitors”的研究论文,该研究揭示了SARS-CoV-2 RNA加帽机制及其核苷酸类似物抑制剂的抑制作用。该研究报道了SARS-CoV-2 RNA加帽机制,并记录了原子分辨率下的结构细节。

聚合酶中的NiRAN结构域催化RNA 5′端的共价连接到nsp9的第一个残基(称为RNA酸化),因此是NiRAN再次催化下与GTP形成帽核(GpppA)的中间体。NiRAN中的S-环(残基50-KTN-52)在与单磷酸索福布韦结合的RTC中表现出显著的构象变化,这说明了设计抑制剂的“诱导和锁定”机制。总之,这些发现不仅提高了对SARS-CoV-2 RNA加帽和NAIs作用方式的认识,而且为抗病毒药物的设计提供了一种策略。

严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)是2019冠状病毒病(COVID-19)的病原体。迄今为止,COVID-19已在全球造成4.76亿多人感染和640多万人死亡。SARS-CoV-2的48个基因组编码16个非结构蛋白(nsps),组装49个复制-转录复合体(RTC),用于复制和转录病毒RNA。SARS-CoV-2的正链RNA (mRNA和基因组RNA)具有5 '帽结构(7MeGpppA2'OMe) cap的修饰类似于宿主细胞产生的mRNAs ,在促进转译的启动、保护mRNAs和帮助病毒逃脱宿主免疫识别方面起着至关重要的作用。
此前研究表明,SARS-CoV-2 RNA的共转录加帽在RTCs中通过四步顺序反应发生。首先,病毒解旋酶nsp13中的5 ' RNA三磷酸酶(RTPase)活性去除新生RNA的5 ' -三磷酸端(pppA)的γ-磷酸盐,生成5 ' -二磷酸端(ppA)。其次,病毒聚合酶nsp12中的N端nidovirus RdRp相关核苷基转移酶(NiRAN)结构域作为鸟苷基转移酶(GTase)将GMP转移到ppA,生成帽核(GpppA)。在最后两个步骤中,nsp14中的N7甲基转移酶(N7 MTase)和nsp16依次将GpppA甲基化为cap(0)(7MeGpppA)和cap(1)(7MeGpppA2'OMe),从而完成加帽操作。
Nsp9是一种病毒编码的非结构蛋白,已被证明与nsp12 NiRAN结合,并在RNA 加帽中发挥重要作用。Nsp9不仅影响nsp12 NiRAN的酶活性,而且作为一个适配器,将nsp10/14或nsp10/16募集到RTCs中,构成共转录加帽复合物(Co-transcriptional Capping Complexes,CCCs),进行最后的加帽作用。进一步的研究表明,nsp9对nsp12 NiRAN 活性的衰减是由于从表达质粒中获得了额外的N端残基,尽管这些额外的残基并不影响nsp9与nsp12  NiRAN的结合。此外,据报道nsp9可被nsp12 NiRAN修饰,从而启动病毒RNA的合成。
机理模式图(图源自Cell
在这里,该研究报道了一种由nsp12 NiRAN和nsp9促进的RNA加帽机制,与nsp13/nsp12/nsp14/nsp16酶提出的机制进行对比。结构研究表明,nsp12 NiRAN催化了RNA 5 '端焦磷酸盐(PPi)的去除反应,随后在剩余的α-磷酸盐与nsp9 (nsp9N1)的第一个天冬酰胺残基之间形成共价键,这一步骤被称为RNAylation。
RNAylated nsp9进一步用作生成GpppA的中间体,其中GTP分子结合在所谓的“G-pocket”中,再次由nsp12 NiRAN催化。该研究还发现nsp12  NiRAN共价结合核苷酸类似物抑制剂(NAIs),瑞德西韦,sofosbuvir,  molnupiravir和AT-9010(前药是AT-527),与nsp9N1结合,并将它们定位在先前描述的口袋中,称之为“Nuc-口袋”。该研究还测定了RTC与RNAylated nsp9的复合物、GMPPNP或GTP的复合物,以及由单磷酸化雷米西韦(RMP)、索福布韦(SMP)、莫努皮拉韦(MMP)或AT-9010(ATMP)修饰的GMPPNP和nsp9复合物的结构。这些结构不仅为提高对SARS-CoV-2 RNA加帽和NAI作用机制的理解提供了见解,而且还提出了一种“诱导-锁定”机制,可用于开发靶向RNA加帽过程的抗病毒抑制剂。

原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.09.037

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