Cell | SARS-CoV-2转录组与RNA修饰图谱

撰文 | 虞莎

责编 | 兮

2020年4月9日，来自首尔大学/韩国基础科学研究院 (Institute for Basic Science) RNA研究中心Narry Kim和Hyeshik Chang团队在Cell杂志上以“pre-proof”形式在线发表了关于SARS-CoV-2的最新研究成果——“The architecture of SARS-CoV-2 transcriptome”。文章报道了SARS-CoV-2病毒的转录组及RNA修饰，为研究病毒的生命周期和致病机理提供了重要的信息，同时也为疫苗的研制和开发提供了方向【1】。

今年2月，韩国疾病预防控制中心的研究员从一位COVID-19患者的体内分离了SARS-CoV-2病毒(BetaCoV/Korea/KCDC03/2020)【2】。Narry Kim实验室与韩国疾控中心合作，获得了SARS-CoV-2感染的Vero细胞，并提取了RNA样品。研究人员利用两种方法对获得的RNA样品进行了测序：纳米孔RNA直接测序 (Nanopore Direct RNA sequencing) 和DNA 纳米球测序 (DNA nanoball sequencing)。两种方法均显示，在被感染的Vero细胞中，超过65%的mRNA转录本由病毒的RNA构成，说明SARS-CoV-2对宿主细胞的转录具有明显的抑制作用 (图1)。

图1. 纳米孔RNA直接测序和DNA纳米孔测序结果——感染的细胞中SARS-CoV-2病毒RNA和宿主mRNA所占的比例

SARS-CoV-2作为一种正义单链RNA病毒，在自身编码的RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase, RdRP)的作用下，能够合成全长的反义RNA链。利用反义RNA链作为模板，可以进一步产生正义基因组RNA (positive-sense genomic RNA, gRNA)和亚基因组RNA (subgenomic RNA, sgRNA)。病毒的gRNA与结构蛋白组装成为新的病毒。sgRNA则相对较短，负责编码辅助蛋白(accessory proteins)以及4种结构蛋白: 刺突蛋白(spike, S)，包膜蛋白(envelope, E)，膜蛋白(membrane, M)和核衣壳蛋白(nucleocapsid, N) (图2)。现有的基因组注释(GenBank: NC_045512.2)表明，SARS-CoV-2有6个辅助蛋白，分别由ORF3a, ORF6, ORF7a, ORF7b, ORF8和 ORF10编码。本文的研究人员发现，ORF10的转录本在纳米孔RNA直接测序的结果中并未被检测到，而其在DNA纳米球测序中也仅有一个读长。由于OFR10与已知的蛋白都不具有同源性，且不存在于其他冠状病毒中，所以SARS-CoV-2 的ORF10很有可能并不表达【1】。

 图2. SARS-CoV-2 gRNA和sgRNA的大小以及编码产物

在两种测序结果中，研究人员都检测到了新的重组转录本(图3A)。这些重组RNA有的保留了正确的读码框，但是尚不清楚它们产生的机制和功能。与真核生物的mRNA类似，SARS-CoV-2 具有Poly(A)尾巴的结构。Poly(A)尾巴对于RNA的稳定性和蛋白质的翻译具有重要的调控作用。已有的研究表明，牛冠状病毒 (bovine coronavirus) RNA Poly(A)尾巴的长度在宿主细胞内随着侵染时间而变化【3】。借助纳米孔测序对单个分子“从头到尾”测序的优势，研究人员检测了SARS-CoV-2 RNA Poly(A)尾巴的长度。发现病毒RNA的Poly(A)尾巴平均由47个腺苷酸构成，全长的病毒RNA比sgRNA的Poly(A)尾巴更长(图3B)。关于SARS-CoV-2 RNA Poly(A)尾巴的功能以及产生/调节的机制，还有待进一步的研究。

图3. SARS-CoV-2转录组中的重组RNA以及不同RNA的Poly(A)尾巴的长度

纳米孔RNA直接测序以RNA分子作为测序对象，根据每个核苷酸通过纳米孔产生的电流信号不同，对A/U/C/G进行识别，同时能够检测带有修饰的核苷酸【4】。研究人员以体外录的不含任何修饰的SARS-CoV-2 RNA作为对照，发现病毒RNA上存在41处潜在的RNA修饰位点。这些 RNA修饰在基因组28,500–29,500位置处富集，并且大部分位于AAGAA模块(图4A)。进一步的研究发现，带有修饰的病毒RNA具有更短的Poly(A)尾巴(图4B)。尽管SARS-CoV-2 RNA修饰的类型、功能，以及RNA修饰和Poly(A)尾巴的关系尚不清楚，但是本文的工作为SARS-CoV-2的转录组和表观组都提供了重要的信息，也为后续对SARS-CoV-2致病机理的研究提供了新的方向。

图４

原文链接: 

https://www.cell.com/pb-assets/products/coronavirus/CELL_CELL-D-20-00765.pdf

参考文献

1. Kim, D., Lee, J.Y., Yang, J.S., Kim, J.W., Kim, V.N., and Chang, H. (2020). The architecture of SARS-CoV-2 transcriptome. Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2020.04.011

2. Kim, J.M., Chung, Y.S., Jo, H.J., Lee, N.J., Kim, M.S., Woo, S.H., Park, S., Kim, J.W., Kim, H.M., and Han, M.G. (2020). Identification of Coronavirus Isolated from a Patient in Korea with COVID-19. Osong Public Health Res Perspect 11, 3-7.

3. Wu, H.Y., Ke, T.Y., Liao, W.Y., and Chang, N.Y. (2013). Regulation of coronaviral poly(A) tail length during infection. PLoS One 8, e70548.

4. Garalde, D.R., Snell, E.A., Jachimowicz, D., Sipos, B., Lloyd, J.H., Bruce, M., Pantic, N., Admassu, T., James, P., Warland, A., et al. (2018). Highly parallel direct RNA sequencing on an array of nanopores. Nat Methods 15, 201-206.