RNA病毒聚合酶具有一個與宿主適應相關的特征區域

發布時間：2021-01-19 14:51 原文鏈接： RNA病毒聚合酶具有一個與宿主適應相關的特征區域

　　RNA病毒編碼的依賴RNA的RNA聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase，簡稱RdRP）是一類獨特的核酸聚合酶，在病毒基因組復制和轉錄過程中發揮核心作用，是抗病毒藥物研究的熱點靶標。病毒的RdRP由于可與其他功能域融合或與其他病毒蛋白共折疊，其整體結構多樣性較高，但其催化核心區的三維結構則較為保守，因此RdRP兼具多樣性和保守性。由于RNA病毒的宿主范圍幾乎囊括了所有細胞形式的生命體，在與不同宿主的共同進化過程中，RdRP作為RNA病毒最保守的蛋白，其與病毒的宿主適應性之間的關聯并不清晰。

　　黃病毒包括乙型腦炎病毒（Japanese encephalitis virus，簡稱JEV）、登革病毒（dengue virus，簡稱DENV）、寨卡病毒、蜱傳腦炎病毒（tick-borne encephalitis virus，簡稱TBEV）等多種人類致病病原，是一類分布廣泛、種類繁多的單股正鏈RNA病毒，與丙型肝炎病毒和經典豬瘟病毒同屬于黃病毒科。黃病毒大多由吸血節肢動物如蚊和蜱作為媒介傳播，可引起人類腦炎或出血性疾病，對人類健康構成重大威脅。黃病毒的RdRP位于病毒編碼的非結構蛋白NS5的羧基端，與氨基端的甲基轉移酶（MTase）形成天然融合體。此前蚊傳黃病毒的NS5已有多個三維結構報道，包括全長蛋白、MTase區和RdRP區的結構，而蜱傳黃病毒NS5蛋白的全長結構及RdRP三維結構則未獲解析。

　　中國科學院武漢病毒研究所研究員龔鵬團隊長期從事病毒RdRP的催化與調控機制研究，此前已分別解析了JEV和DENV的NS5全長蛋白晶體結構（Lu and Gong, PLoS Pathogens 2013； Wu et al., PLoS Pathogens 2020），并與武漢病毒所研究員張波團隊合作，系統性揭示了NS5的構象多樣性和保守性以及MTase調控RdRP的分子機制（Li et al. PLoS Neglected Tropical Diseases 2014； Wu, et al. Journal of Virology 2015； Wu et al., PLoS Pathogens 2020）。科研人員近期解析了分辨率為1.9埃的TBEV MTase晶體結構（PDB號7D6M，圖1A）和分辨率為3.2埃的TBEV RdRP的晶體結構（PDB號7D6N，圖1B），獲得了首個蜱傳黃病毒RdRP的三維結構信息。通過黃病毒RdRP的序列分析以及與結構已知的蚊傳黃病毒RdRP的結構進行比較，發現在RdRP保守的催化基序（motif）B和C之間存在一個值得關注的區域（以下稱B-C連接區）。該區域位于RdRP手掌區的底部且暴露于蛋白表面，且在黃病毒屬的不同宿主分類中具有明顯的宿主相關多樣性（圖1B及圖2）。

　　研究設計了TBEV和JEV病毒間B-C連接區的替換突變，在酶學水平證實突變對RdRP催化功能不構成本質影響（圖3A、B）。龔鵬團隊與武漢病毒所研究員王漢中/鄭振華團隊和張波團隊合作，在細胞水平分別評測突變對TBEV和JEV的影響，研究表明在兩種病毒體系中突變后的病毒不能維持在細胞中的增殖（圖3C、D）。這些結果提示B-C連接區很可能參與了RdRP催化以外與病毒增殖相關的重要過程。通過對正鏈、負鏈和雙鏈RNA病毒中的代表性RdRP的B-C連接區進行結構與序列的系統分析，在RNA病毒大家族中發現該區域在結構和序列長度方面具有較高的多樣性（圖4），提示RdRP的B-C連接區很可能是RNA病毒共有的一個宿主適應熱點區域，該研究為病毒RdRP的調控機制研究及RdRP相關的宿主適應研究提供了重要線索。

　　研究工作得到國家重點研發計劃項目“畜禽重要病原共感染與協同致病機制研究”（項目負責人為中國農業科學院上海獸醫研究所研究員丁鏟）和國家自然科學基金面上項目的支持。武漢病毒所博士研究生楊婕妤和博士后景旭平為論文共同第一作者，主要完成了結構與酶學研究工作，龔鵬、鄭振華和張波為論文共同通訊作者，王漢中/鄭振華團隊的實驗師易文富、碩士研究生姚琛和張波團隊的博士后李曉丹分別完成了TBEV和JEV病毒學研究工作。相關研究成果在線發表在Nucleic Acids Research（《核酸研究》）上。

圖1.TBEV MTase和RdRP的晶體結構。（A）MTase結構中結合了一個甲基供體SAM分子。（B）RdRP由拇指、手指和手掌三個結構域組成，B-C連接區（淺粉色）位于手掌區底部。

圖2.黃病毒科RdRPs中B-C連接區結構和序列的多樣性。（A）第一排中TBEV屬于蜱傳黃病毒，其余屬于蚊傳黃病毒。第二排中TBEV和JEV屬于黃病毒屬，而HCV和CSFV分別屬于黃病毒科中的肝炎病毒屬和瘟病毒屬。其中motif B、B-C連接區和motif C分別用黃色、橙色和淺綠色表示。（B）黃病毒NS5中B-C區域的序列比對。根據宿主的不同，黃病毒可以分為蚊傳、蜱傳、僅在昆蟲中傳播和僅在脊椎動物中傳播四類。