新聞科研進(jìn)展
核酸聚合酶是實(shí)現(xiàn)核酸生物合成的關(guān)鍵蛋白質(zhì)機(jī)器，在復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、逆轉(zhuǎn)錄等重要過程中發(fā)揮核心作用。聚合酶啟動(dòng)核酸合成的過程也稱為“引發(fā)”（initiation），可通過兩種基本模式來實(shí)現(xiàn)：第一種稱為“依賴引物”（primer-dependent），需要利用核酸或蛋白作為引物，以DNA復(fù)制（DNA replication）過程為代表；另一種則稱為“從頭合成”（denovo synthesis），即由兩個(gè)三磷酸核苷（nucleoside triphosphate，NTP）分子反應(yīng)生成二核苷酸產(chǎn)物來實(shí)現(xiàn)引發(fā)，以轉(zhuǎn)錄（transcription）過程為代表。引發(fā)過程通常具有序列特異性，穩(wěn)定性較低且合成速率較慢，聚合酶需要進(jìn)一步完成從引發(fā)階段到序列特異性較低的延伸（elongation）階段的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)鏈核酸的穩(wěn)定快速合成。RNA病毒編碼的依賴RNA的RNA聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase，RdRP）是RNA病毒必須且唯一共有的基因，隨著埃博拉病毒、2019新型冠狀病毒等RNA病毒近年來不斷在世界范圍造成影響，RdRP日益成為RNA病毒基礎(chǔ)研究和抗病毒研究的熱點(diǎn)。與其他核酸聚合酶類似，RdRP的引發(fā)模式也分為依賴引物和從頭合成兩種，分別以脊髓灰質(zhì)炎病毒3Dpol和登革病毒NS5為代表，自1997年首個(gè)RdRP三維結(jié)構(gòu)得到解析以來，RdRP的結(jié)構(gòu)與功能研究雖然不斷取得進(jìn)展，但這兩類RdRP如何實(shí)現(xiàn)從引發(fā)到延伸的轉(zhuǎn)換一直未能得到闡明。
中國(guó)科學(xué)院武漢病毒研究所龔鵬研究員團(tuán)隊(duì)自2011年起致力于從頭合成型RdRP的引發(fā)-延伸轉(zhuǎn)換機(jī)制研究，通過十余年“前仆后繼”式地探索，于近期成功闡明了登革病毒NS5 RdRP的引發(fā)-延伸轉(zhuǎn)換機(jī)制。該團(tuán)隊(duì)解析了分辨率為2.6-2.9埃的登革病毒NS5 RdRP與模板-產(chǎn)物雙鏈RNA形成的延伸復(fù)合物（elongation complex，EC）晶體結(jié)構(gòu)（圖A）（PDB編號(hào)為7XD8和7XD9，數(shù)據(jù)分別收集于上海光源BL19U1和BL17U1線站），發(fā)現(xiàn)在引發(fā)階段發(fā)揮重要作用的“引發(fā)元件”（primingelement，PE，一段位于RdRP拇指結(jié)構(gòu)域的環(huán)狀結(jié)構(gòu)）退出RdRP的活性中心并重新折疊成新的形態(tài)，而經(jīng)歷變構(gòu)過程的引發(fā)元件與延伸復(fù)合物中的雙鏈RNA又建立了新的相互作用（圖B）。研究團(tuán)隊(duì)通過多種酶學(xué)表征方法進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)變構(gòu)后的引發(fā)元件提升了延伸復(fù)合物穩(wěn)定性，從而證實(shí)引發(fā)元件可通過變構(gòu)在RdRP合成的引發(fā)和延伸這兩個(gè)重要階段發(fā)揮截然不同的功能（圖C）。由于從頭合成型RdRP的引發(fā)元件具有較高的序列和結(jié)構(gòu)多樣性，研究團(tuán)隊(duì)據(jù)此提出不同RdRP的引發(fā)元件變構(gòu)的細(xì)節(jié)可能具有較大差異，但其在引發(fā)和延伸階段發(fā)揮雙重功能的模式可能相同（圖D），即實(shí)現(xiàn)“異曲同工”。
這項(xiàng)工作是該團(tuán)隊(duì)在前期解析黃病毒NS5全長(zhǎng)三維結(jié)構(gòu)（PLoS Pathogens 2013）和成功組裝黃病毒NS5延伸復(fù)合物（PLoS Pathogens 2020）的基礎(chǔ)上在RdRP領(lǐng)域取得的重要突破，也為脊髓灰質(zhì)炎病毒3Dpol、2019新型冠狀病毒nsp12等依賴引物型RdRP的引發(fā)-延伸轉(zhuǎn)換機(jī)制研究提供了借鑒。相關(guān)論文近期在線發(fā)表于Proc Natl Acad Sci U S A（《美國(guó)科學(xué)院院刊》），此項(xiàng)研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFA0507200，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人為陳新文研究員）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32070185；32000136）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目等的支持。武漢病毒所青年研究員吳繼芹（實(shí)現(xiàn)了延伸復(fù)合物組裝，主要完成結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究）和博士研究生王欣雨（解決了延伸復(fù)合物可溶性問題并篩選得到復(fù)合物結(jié)晶條件，主要完成酶學(xué)研究）為論文的共同第一作者，實(shí)驗(yàn)師劉巧潔（參與酶學(xué)研究）和博士研究生/助理研究員逯國(guó)亮（參與結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，現(xiàn)為復(fù)旦大學(xué)副研究員）為共同作者，龔鵬研究員為論文的通訊作者。
論文及前續(xù)系列論文鏈接為：
https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2211425120
https://journals.plos.org/plospathogens/article/file?id=10.1371/journal.ppat.1008484&type=printable
https://journals.plos.org/plospathogens/article/file?id=10.1371/journal.ppat.1003549&type=printable
圖：從頭合成型病毒RdRP引發(fā)-延伸轉(zhuǎn)換機(jī)制。A）登革病毒NS5 RdRP延伸復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)。B）引發(fā)元件變構(gòu)（從左至右）后與雙鏈RNA建立新的相互作用。C）引發(fā)元件可提升延伸復(fù)合物穩(wěn)定性。D）引發(fā)元件變構(gòu)簡(jiǎn)圖（與動(dòng)圖類比）。
動(dòng)圖：RdRP引發(fā)元件通過變構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙功能與自行車變速器通過形變實(shí)現(xiàn)低速-高速模式切換相類似
