Cell | 饶子和/娄智勇/高岩发现生物界中RNA加帽的新机制

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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(^7MeGpppA_2'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）（^7MeGpppA_2'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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