新型冠状病毒重要药物靶点 - RNA依赖的RNA聚合酶三维精细结构获得解析

发布者:冯明静发布时间:2020-03-18浏览次数:1015

近日,“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新型冠状病毒“RdRp(RNA依赖的RNA聚合酶)-nsp7-nsp8复合物”近原子分辨率的三维空间结构,揭示了该病毒遗传物质转录复制机器核心“引擎”的结构特征,为开发针对新冠肺炎的药物奠定了重要基础。



新型冠状病毒RdRp-nsp7-nsp8聚合酶复合物2.9 Å分辨率电子显微结构(Coulomb potential map)。螺旋状分子为类比同类机制聚合酶判断的RNA模版链(灰色)与新生链(红色)的位置和走向;瑞德西韦预期以效应分子(GS-443902)的形式结合于催化反应中心阻断RNA合成(右下插图);背景为新型冠状病毒冷冻电子显微照片及聚合酶复合物处于不同视角下的分子形态。


新冠肺炎疫情自2019年底爆发以来,迅速在世界范围内扩散流行,目前全球累计确诊新冠肺炎超过18万人,死亡人数超过7500人,已覆盖亚洲、美洲、欧洲、大洋洲、非洲的159个国家,短时间内对世界各国造成了巨大冲击,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,而一个备受瞩目的广谱抗RNA病毒的药物——瑞德西韦(Remdesivir或GS-5734)仍处于临床研究阶段。因此,针对新型冠状病毒的药物靶点研究以及新药的研发迫在眉睫


新型冠状病毒在入侵细胞后,便开始大量复制;而病毒的RNA依赖的RNA聚合酶(RdRp,也被称为nsp12)在病毒的遗传物质——RNA的合成过程中起着至关重要的作用。以RNA聚合酶为核心,病毒会巧妙地利用其它辅助因子(如nsp7/nsp8等)组装一台高效的RNA合成机器,进行自我复制。RNA聚合酶作为是这台复制机器的核心部件,是最重要的抗病毒药靶之一。破坏该核心设备的功能,就能阻止病毒的复制,最终达到治疗的目的。而瑞德西韦恰恰就是一个靶向RNA聚合酶的前药,当药物进入人体,通过代谢后,其最终产物就直接靶向抑制病毒的RNA聚合酶。2020年1月25日,蒋华良院士和饶子和院士领衔的上海科技大学免疫化学研究所和中国科学院上海药物研究所抗新冠病毒联合应急攻关团队通过药物筛选发现了30种可能具有抗新冠病毒效用的药物、活性天然产物和中药,其中就包含瑞德西韦。最近有报道称,国外医疗机构对一名新冠肺炎重症患者在同情用药的原则下使用了瑞德西韦,该患者病情迅速缓解。因此,瑞德西韦被认为是一个在新冠肺炎的治疗中颇具前景的临床药物。目前,瑞德西韦临床试验已在中国开展,由中日友好医院、中国医学科学院药物研究所牵头,在武汉金银潭医院等多家抗疫一线医院中进行,计划入组761例患者,结果预计在4月27日公布。但是,由于缺乏新型冠状病毒RNA聚合酶的三维结构信息,瑞德西韦如何精确靶向病毒RNA聚合酶的机制尚不明确,这是当前针对该靶点进行进一步开发更有效的抗病毒药物开发及应用的重要障碍之一


饶子和院士研究团队自从2003年SARS冠状病毒爆发以来,在17年间一直致力于冠状病毒关键药靶的研究以及抗病毒新药的研发。研究团队在SARS疫情期间,就曾解析了首个SARS病毒蛋白(主蛋白酶)的三维空间结构,为抗SARS药物的研发提供了关键结构依据;随后,研究团队又设计和开发出首个能抑制所有冠状病毒的广谱抑制剂。同时,研究团队还在冠状病毒的入侵机制、病毒复制组装机制方面开展了系统的研究。在这次新冠肺炎疫情袭来之初,饶子和院士/杨海涛教授团队和蒋华良院士团队就组成攻关联盟,率先在国际上解析了首个新型冠状病毒蛋白(主蛋白酶)与抑制剂复合物的高分辨率三维晶体结构,并在临床试验药物中发现了可以有效抑制新型冠状病毒的抑制剂。在此基础上,由饶子和院士/娄智勇教授/王权教授等组成“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“RdRp-nsp7-nsp8”复制机器的三维空间结构,整体分辨率达到2.9 Å。



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特征结构域;同时病毒RNA聚合酶与病毒的辅助非结构因子nsp7/nsp8组成了复制机器。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。本研究首次精细描绘出了新型冠状病毒“RdRp-nsp7-nsp8”复制机器的内部构造,并为瑞德西韦的效应分子如何精确靶向抑制复制机器的核心元件——病毒RNA聚合酶进而发挥药效活性,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



在疫情期间,上海科技大学在人员队伍、科研条件、工作环境以及团队成员的身心健康保障等方面为攻关团队提供了全方位的支持,全力保障了攻关任务的顺利进行,为项目的快速推进提供了良好的条件。




2020年3月17日,上述成果的预印本以“Structureof RNA-dependent RNA polymerase from 2019-nCoV, a major antiviral drug target”为题在BioRxiv(一个生物科学的开放式预印本存储库)在线发表(https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.16.993386v1doi:10.1101/2020.03.16.993386)。


为了方便更多的科技工作者、特别是药物研发的科技人员使用,该冷冻电镜结构的密度图可到PDB蛋白质结构数据库(Protein DataBank, PDB)下载PDB ID: 6M71)。  
 

注:该冷冻电镜结构的密度图已投递至PDB,系统正在处理中。如有急需,可以与我们联系联系人:上海科技大学免疫化学研究所副研究员杨秀娜:yangxn@shanghaitech.edu.cn)。




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原文阅读Structure of RNA-dependent RNA polymerase from 2019-nCoV, a major antiviral drug target