上海科技大学连发Science,Nature解析新冠病毒的结构奥秘
2020-04-15   阅读:535   来源:生物通

截至4月10日,全球累计确诊新冠肺炎156万人,死亡9.2万人 ,对全人类产生了空前的影响 。引起新冠肺炎的病原体是一种新型冠状病毒,它与此前大家熟悉的严重急性呼吸道综合征冠状病毒(SARS-CoV)和中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)具有较近的亲缘关系,被感染的患者会以发热、乏力、干咳为主要临床表现,严重者快速进展为急性呼吸窘迫综合征,甚至死亡,目前为止尚无特效药和疫苗批准上市。

新型冠状病毒在入侵宿主细胞后,便开始大量复制,这其中又以遗传物质RNA基因组的转录和复制两个过程为核心。遗传物质的转录将最终经过翻译形成新生病毒的结构组成蛋白质,而其复制将形成新生病毒的RNA基因组。病毒RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerases,RdRp),也被称为第12号非结构蛋白(non-structural protein 12, nsp12),能够与其他多个非结构蛋白质组装形成一台高效的RNA合成“机器”,完成这两大过程。RNA聚合酶作为这台转录复制机器的核心部件,是最重要的抗病毒药物靶标之一,破坏其功能预期将能够阻止病毒的复制,最终达到治疗的目的。针对新型冠状病毒的药物靶点特别是RNA聚合酶的研究,对此类靶向药物的研发和药效机制的验证至关重要,迫在眉睫。

近期,由饶子和院士/娄智勇教授/王权教授等组成的“上海科技大学-清华大学抗新冠病毒联合攻关团队”,率先在国际上成功解析了新型冠状病毒转录复制机器核心单元“RdRp-nsp7-nsp8”复合体的三维空间结构,整体分辨率达到2.9 埃(Å)。

这一成果公布在Science杂志上。

研究解析的复合物结构显示,新型冠状病毒的RNA聚合酶具有其它病毒RNA聚合酶的保守特征,并含有套式病毒(Nidovirus)的NiRAN(Nidovirus RdRp-associated nucleotidyltransferase)特征结构域;同时病毒RNA聚合酶与病毒的非结构蛋白nsp7和nsp8组成了转录复制机器的核心单元。令人兴奋的是,研究人员还首次在新型冠状病毒的RNA聚合酶的N端发现了一个独特的“β发卡”结构域,这一结构域的发现为阐明新型冠状病毒RNA聚合酶的生物学功能提供了新的线索。研究团队又通过对该原子分辨率结构的深入分析,发现了新型冠状病毒RNA聚合酶行使功能的关键氨基酸残基,并通过与“丙型肝炎病毒聚合酶ns5b-索非布韦(Sofosbuvir)效应分子”复合物结构进行比对,提出了瑞德西韦和法匹拉韦的效应分子(即代谢后的最终产物)抑制新型冠状病毒RNA聚合酶的可能作用模式。

这项研究首次精细描绘出了新型冠状病毒“RdRp-nsp7-nsp8”转录复制机器的内部构造,并为瑞德西韦和法匹拉韦等候选药物的效应分子如何精确靶向抑制病毒RNA合成进而发挥药效活性提出了合理的机制解释,这为深入研究新型冠状病毒复制的分子机理奠定了重要的理论基础,并为开发抗新冠肺炎的特效药开辟了新途径。

此外,上海科技大学饶子和/杨海涛团队与合作者组成的“抗新冠病毒攻关联盟”还在Nature上联合发表了新冠病毒的重要研究成果“Structure of Mpro from COVID-19 virus and discovery of its inhibitors”,率先在国际上成功解析新型冠状病毒关键药物靶点――主蛋白酶(Mpro)的高分辨率三维空间结构,并综合利用三种不同的药物发现策略,找到针对新冠病毒的抑制剂。

在从头设计的研究策略中,攻关“联盟”发现迈克尔受体N3是一个主蛋白酶的强效抑制剂,并率先解析了2.1Å的“主蛋白酶-N3”的高分辨率复合物结构(随后又提高至1.7Å),这也是世界上第一个被解析的新冠病毒蛋白质的三维空间结构。为方便相关的科技工作者第一时间开发以该酶为靶点的抗病毒药物,攻关“联盟”第一时间公开了研究成果,并在PDB蛋白质结构数据库(Protein Data Bank, PDB)公开了结构坐标。自1月26日起,团队已为国内外300多家高校、研究机构及企业的实验室直接提供了数据。该结构被PDB蛋白质结构数据库选为2020年2月的明星分子(February Molecule of the Month),并被PDB撰文报道。

此后,攻关“联盟”继续联合利用虚拟筛选和高通量筛选策略相结合的方式,对10000多个老药、临床药物以及天然活性产物进行筛选,发现了数种对主蛋白酶有显著抑制作用的先导药物,其中包括双硫仑(disulfiram)、卡莫氟(carmofur)、依布硒(ebselen)、紫草素(shikonin)、Tideglusib和PX-12等。后续的抗新冠病毒实验显示,依布硒和N3均能在细胞水平显著抑制新冠病毒的复制。值得一提的是,依布硒已用于治疗听力障碍等多种疾病的临床试验(完成临床二期),并具有很好的安全性表现。上述研究成果,为迅速开发具有临床潜力的抗新冠肺炎的药物奠定了重要基础。

©2021年05月15日 15:53:40
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