新冠攻关团队科研成果荣登Science——新冠病毒RNA聚合酶复合体的三维精细结构获得解析

发布者:冯明静发布时间:2020-04-11浏览次数:248

4月10日晚10点,由饶子和院士/娄智勇教授/王权教授等组成的“抗新冠病毒联合攻关团队”在Science杂志发表题为“Structure of the RNA-dependent RNA polymerase from COVID-19 Virus”的研究论文(doi:10.1126/science.abb7498),发布了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”近原子分辨率三维空间结构的研究成果。该研究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。




图注: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。

这也是今年以来上科大在国际顶尖学术期刊发布的第四篇重大科研成果。

1月31日,我校iHuman研究所执行所长刘志杰研究团队在人源大麻素受体结构与功能的最新研究成果,在Cell上在线发表。

2月20日,iHuman研究所徐菲课题组与合作组解析首个孤儿受体三维结构的科研成果,在Nature上在线发表。

4月9日,免疫化学研究所饶子和/杨海涛团队与合作者组成的“抗新冠病毒攻关联盟”在Nature上联合发表了新冠病毒的重要研究成果“Structure of Mpro from COVID-19 virus and discovery of its inhibitors”,率先在国际上成功解析新型冠状病毒关键药物靶点——主蛋白酶(Mpro)的高分辨率三维空间结构。



截至4月10日,全球累计确诊新冠肺炎156万人,死亡9.2万人 ,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。

新型冠状病毒在入侵宿主细胞后,便开始大量复制,这其中又以遗传物质RNA基因组的转录和复制两个过程为核心。遗传物质的转录将最终经过翻译形成新生病毒的结构组成蛋白质,而其复制将形成新生病毒的RNA基因组。病毒RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerases,RdRp),也被称为第12号非结构蛋白(non-structural protein 12, nsp12),能够与其他多个非结构蛋白质组装形成一台高效的RNA合成“机器”,完成这两大过程。RNA聚合酶作为这台转录复制机器的核心部件,是最重要的抗病毒药物靶标之一,破坏其功能预期将能够阻止病毒的复制,最终达到治疗的目的。针对新型冠状病毒的药物靶点特别是RNA聚合酶的研究,对此类靶向药物的研发和药效机制的验证至关重要,迫在眉睫。

在本研究中,由饶子和院士/娄智勇教授/王权教授等组成的“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转录复制机器核心单元“RdRp-nsp7-nsp8”复合体的三维空间结构,整体分辨率达到2.9 埃(Å)。


研究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(Nidovirus RdRp-associated nucleotidyltransferase)特征结构域;同时病毒RNA聚合酶与病毒的非结构蛋白nsp7和nsp8组成了转录复制机器的核心单元。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,提出了瑞德西韦和法匹拉韦的效应分子(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”转录复制机器的内部构造,并为瑞德西韦和法匹拉韦等候选药物的效应分子如何精确靶向抑制病毒RNA合成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。


3月17日,上述成果的预印本即以“Structure of 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[1],第一时间与同行和公众分享成果信息。为了方便科技工作者、特别是药物研发人员分析使用,本研究的分子结构坐标数据亦已投递至蛋白质结构数据库(Protein Data Bank, PDB),并开放给公众,登记编号为6M71和7BTF。同时,两个结构坐标数据文件亦已投递至国家微生物科学数据中心(http://nmdc.cn),提供公开下载,登记编号为NMDCS0000002和NMDCS0000003。

注:本研究的基因、质粒等实验材料将免费向公众提供。如有需求,请与研究团队联系(联系人:上海科技大学免疫化学研究所副研究员杨秀娜,邮箱 yangxn@shanghaitech.edu.cn)。目前团队已经向包括哈佛大学医学院、剑桥大学、加州大学、复旦大学、中国科学院、中国医学科学院、中国人民解放军军事医学科学院等数十家国内外科研机构和企业提前发布了结构坐标,并向昆士兰大学、奥克兰大学、剑桥大学、哥伦比亚大学、斯坦福大学、加利福尼亚大学伯克利分校等多家国内外机构分享了实验材料。本研究相关的实验材料亦已投递至国家蛋白质研究上海设施蛋白质库,如对基因、质粒等实验材料有需求,可联系该库获取(联系人:国家蛋白质科学研究上海设施 许先慧,邮箱 xuxianhui@sari.ac.cn)。


上海科技大学校园

 

延伸阅读

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[2];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[3]。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[4]。这些前期的研究都为本研究的顺利开展奠定了基础。

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与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或活性天然产物,其中就包含瑞德西韦[5]。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[6]。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[7]。

法匹拉韦是一种新型广谱抗RNA病毒药物,该药物于2014年3月在日本批准上市,用于甲型、乙型流感的抗病毒治疗。2020年2月16日,在我国获批上市,用于成人新型或复发流感的治疗。研究表明,除流感病毒外,该药还对多种RNA病毒展现出良好的抗病毒作用,如埃博拉病毒、沙粒病毒、布尼亚病毒、狂犬病毒等,预期通过靶向病毒的RNA聚合酶发挥药效[8]。中国临床试验注册中心的官网显示,目前法匹拉韦用于治疗新冠肺炎的临床试验一共有三项。其中两项由浙江大学医学院附属第一院牵头展开,另一项则由深圳市第三人民医院负责。国务院联防联控机制3月17日举行发布会,科技部生物中心主任张新民介绍,法匹拉韦已完成临床研究,显示出良好临床疗效,用药组的病毒核酸转阴率显著高于对照组,未出现明显不良反应[9]。同时,美国FDA亦已批准在马萨诸塞州的3家医院进行法匹拉韦用于治疗COVID-19的临床试验[10]。根据ClinicalTrial.gov网站4月7日的登记信息(NCT04336904),另外一项法匹拉韦治疗COVID-19的III期临床试验亦将在意大利米兰启动,该研究预计于2020年7月完成[11]。

 

团队核心成员介绍


饶子和


饶子和,中国科学院院士,清华大学教授,上海科技大学特聘教授、免疫化学研究所蛋白质机器与新药实验室课题组长。饶子和院士长期从事新发、再发传染性疾病病原体的三维结构与功能研究,以及相应靶向创新药物的开发。工作涉及病毒、结核分枝杆菌等威胁人类健康的重要病原体的结构与功能以及创新药物研究。截至目前,饶子和院士团队已先后在国际学术期刊上发表研究论文360余篇,其中17篇研究成果发表在CellNatureScience等三大国际顶级学术期刊,合计获引用逾16000次。




王  权


王权,上海科技大学免疫化学研究所生物能量学实验室课题组长、生命科学与技术学院常任(tenure track)助理教授致力于利用冷冻电子显微等成像技术,在多尺度下研究结核分枝杆菌、幽门螺旋杆菌等病原微生物能量代谢系统的分子组成、结构特征与功能机制,以及真核细胞“能量工厂”-线粒体在调节宿主天然免疫应对病原菌感染过程中的作用。同时,亦通过干预生物能量代谢系统,开展抗耐药菌和抗肿瘤的药物筛选与研发工作。相关成果在SciencePNAS等国际期刊发表。





文章链接:

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/09/science.abb7498

(DOI: https://doi.org/10.1126/science.abb7498)


参考文献:

1. Gao, Y., et al., Structure of RNA-dependent RNA polymerase from 2019-nCoV, a major antiviral drug target. bioRxiv, 2020: p.2020.03.16.993386.

2. Yang,H., et al., The crystal structures of severe acute respiratory syndrome virus main protease and its complex with an inhibitor. Proc Natl Acad Sci U S A, 2003. 100(23): p. 13190-5.

3. Yang,H., et al., Design of wide-spectrum inhibitors targeting coronavirus main proteases. PLoS Biol, 2005. 3(10): p. e324.

4. Jin, Z., et al., Structure of Mpro from COVID-19 virus and discovery of its inhibitors. Nature, 2020.

5. http://www.cas.cn/syky/202001/t20200125_4732909.shtml.

6. Holshue, M. L., et al., First Case of 2019 Novel Coronavirus in the United States. N Engl J Med, 2020. 382(10): p. 929-936.

7. http://www.gov.cn/xinwen/2020-02/06/content_5475092.htm.

8. Furuta,Y., T. Komeno, and T. Nakamura, Favipiravir (T-705), a broad spectrum inhibitor of viral RNA polymerase. Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci, 2017. 93(7): p.449-463.

9. http://www.gov.cn/xinwen/2020-03/18/content_5492538.htm.

10. https://www.bostonglobe.com/2020/04/07/metro/massachusetts-launch-first-trial-japanese-covid-drug/.

11. https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04336904