清華大學醫(yī)學院饒子和院士團隊合作破譯抗新冠病毒關(guān)鍵藥靶三維結(jié)構(gòu) 時間：2020-03-21
近日，“清華大學-上?？萍即髮W抗新冠病毒聯(lián)合攻關(guān)團隊”率先在國際上成功解析新型冠狀病毒“RdRp (RNA依賴的RNA聚合酶)-nsp7-nsp8復(fù)合物”近原子分辨率的三維空間結(jié)構(gòu)，揭示了該病毒遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)錄復(fù)制機器核心“引擎”的結(jié)構(gòu)特征，為開發(fā)針對新冠肺炎的藥物奠定了重要基礎(chǔ)。
??????? 新冠肺炎疫情自2019年年底暴發(fā)以來，迅速在世界范圍內(nèi)擴散流行，目前全球累計確診新冠肺炎約17萬人，死亡人數(shù)超過6500人，已覆蓋亞洲、美洲、歐洲、大洋洲、非洲的140多個國家，短時間內(nèi)對世界各國造成了巨大沖擊，對全人類產(chǎn)生了空前的影響。引起新冠肺炎的病原體是一種新型冠狀病毒，它與此前前大家熟悉的嚴重急性呼吸道綜合征冠狀病毒（SARS-CoV）和中東呼吸綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）具有較近的親緣關(guān)系，被感染的患者會以發(fā)熱、乏力、干咳為主要臨床表現(xiàn)，嚴重者快速進展為急性呼吸窘迫綜合征，甚至死亡。目前為止尚無特效藥和疫苗批準上市，而一個備受矚目的廣譜抗RNA病毒的藥物——瑞德西韋(Remdesivir或GS-5734)仍處于臨床研究階段。因此，針對新型冠狀病毒的藥物靶點研究以及新藥的研發(fā)迫在眉睫。
新型冠狀病毒在入侵細胞后，便開始大量復(fù)制和克隆；而病毒的RNA依賴的RNA聚合酶(RdRp，也被稱為nsp12)則在病毒的遺傳物質(zhì)——RNA的合成過程中起著至關(guān)重要的作用。以RNA聚合酶為核心，病毒會巧妙的利用其它輔助因子（如nsp7/nsp8等）組裝一臺高效的RNA合成機器，進行自我復(fù)制。RNA聚合酶作為這臺復(fù)制機器的核心部件，是病毒得以大量繁衍的關(guān)鍵，因而是最重要的抗病毒藥靶之一。破壞該核心設(shè)備的功能，就能阻止病毒的“傳宗接代”和數(shù)目擴增，達到最終的治療目的。而瑞德西韋恰恰就是一個靶向RNA聚合酶的前藥，當藥物進入人體，通過代謝后，其最終產(chǎn)物就直接靶向病毒的RNA聚合酶。最近有報道稱，國外醫(yī)療機構(gòu)對一名新冠肺炎重癥患者在同情用藥的原則下使用了瑞德西韋，該患者病情迅速緩解。因此，瑞德西韋被認為是一個在新冠肺炎的治療中極具前景的臨床藥物。但是，由于新型冠狀病毒RNA聚合酶的三維結(jié)構(gòu)完全未知，且瑞德西韋如何精確靶向病毒RNA聚合酶的機制仍不明了，這都為進一步開發(fā)更有效的抗病毒藥物設(shè)置了重重障礙。
清華大學醫(yī)學院饒子和院士研究團隊自從2003年SARS暴發(fā)以來，17年間致力于冠狀病毒關(guān)鍵藥靶的研究以及抗病毒新藥的研發(fā)。研究團隊在SARS暴發(fā)期間，就曾在世界上解析了首個SARS病毒蛋白質(zhì)（主要蛋白酶）的三維空間結(jié)構(gòu)，為抗SARS藥物的研發(fā)提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)依據(jù)；隨后研究團隊又設(shè)計和開發(fā)出首個抑制所有冠狀病毒的廣譜抑制劑。同時，研究團隊還在冠狀病毒的入侵機制、病毒復(fù)制組裝機制方面開展了系統(tǒng)的研究。在這次新冠肺炎疫情襲來之初，饒子和院士/楊海濤教授團隊和蔣華良院士團隊就組成攻關(guān)聯(lián)盟，率先在國際上解析了首個新型冠狀病毒蛋白質(zhì)（主要蛋白酶）與抑制劑復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，并在臨床試驗藥物中發(fā)現(xiàn)了可以有效抑制新型冠狀病毒的抑制劑。在此基礎(chǔ)上，由饒子和院士/婁智勇教授/王權(quán)教授等組成“清華大學-上?？萍即髮W抗新冠病毒聯(lián)合攻關(guān)團隊”，率先在國際上成功解析新型冠狀病毒“RdRp-nsp7-nsp8”復(fù)制機器2.9 ?的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。
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上圖：新型冠狀病毒RdRp-nsp7-nsp8聚合酶復(fù)合物2.9 ?分辨率分子結(jié)構(gòu)（Coulomb potential map）。螺旋狀分子為類比同類機制聚合酶判斷的RNA模版鏈（灰色）與新生鏈（紅色）的位置和走向；瑞德西韋預(yù)期以效應(yīng)分子（GS-443902）的形式結(jié)合于催化反應(yīng)中心阻斷RNA合成（右下插圖）；背景為新型冠狀病毒冷凍電子顯微照片及聚合酶復(fù)合物處于不同視角下的分子形態(tài)。
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解析的復(fù)合物結(jié)構(gòu)顯示，新型冠狀病毒的RNA聚合酶具有其他病毒RNA聚合酶的保守特征，并含有套式病毒（nidovirus）的NiRAN特征結(jié)構(gòu)域；同時病毒RNA聚合酶與病毒的輔助非結(jié)構(gòu)因子nsp7/nsp8組成了復(fù)制機器。令人興奮的是，研究人員還在新型冠狀病毒的RNA聚合酶的N端首次發(fā)現(xiàn)了“β發(fā)卡”結(jié)構(gòu)域，而這一結(jié)構(gòu)域的發(fā)現(xiàn)為闡明冠狀病毒RNA聚合酶的生物學功能又提供了新的依據(jù)。研究團隊通過對該原子分辨率結(jié)構(gòu)的深入分析，發(fā)現(xiàn)了新型冠狀病毒RNA聚合酶行使功能的關(guān)鍵氨基酸殘基，并通過與“丙型肝炎病毒聚合酶ns5b-索非布韋（Sofosbuvir）效應(yīng)分子”復(fù)合物結(jié)構(gòu)進行比對，提出了瑞德西韋的效應(yīng)分子抑制新型冠狀病毒RNA聚合酶的可能作用模式。本研究首次勾勒出新型冠狀病毒“RdRp-nsp7-nsp8”復(fù)制機器的內(nèi)部構(gòu)造，并為瑞德西韋的效應(yīng)分子如何精確靶向復(fù)制機器的核心元件——病毒RNA聚合酶藥物的機制提出了合理解釋，這為深入研究新型冠狀病毒復(fù)制的分子機理奠定了重要的理論基礎(chǔ)，并為開發(fā)抗新冠肺炎的特效藥開辟了新途徑。
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饒子和院士指導(dǎo)學生科研工作（拍攝于2020年1月中旬）
抗疫攻關(guān)小組線上學術(shù)討論（拍攝于2020年3月）
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上述成果以“Structure of RNA-dependent RNA polymerase from 2019-nCoV, a major antiviral drug target”（2019新型冠狀病毒RNA依賴的RNA聚合酶結(jié)構(gòu)，一個主要的抗病毒藥物靶點）為標題的預(yù)印本已在BioRxiv在線發(fā)表（https://biorxiv.org/cgi/content/short/2020.03.16.993386v1）。為了方便更多的科技工作者、特別是藥物研發(fā)的科技人員使用，該結(jié)構(gòu)的坐標可到PDB蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（Protein Data Bank, PDB）下載（PDB ID: 6M71）。
清華大學、上?？萍即髮W聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生高巖為論文第一作者，清華大學副研究員閆利明、清華大學博士研究生黃羽岑、上海科技大學博士研究生劉鳳江為論文的并列第一作者，上?？萍即髮W免疫化學研究所研究員王權(quán)、清華大學教授婁智勇、清華大學教授兼上?？萍即髮W免疫化學研究所特聘教授饒子和院士為共同通訊作者。清華大學為第一完成單位。國家蛋白質(zhì)科學中心（上海）主任兼上?？萍即髮W生命科學與技術(shù)學院教授許文青、上?？萍即髮WiHuman研究所教授劉志杰和澳大利亞昆士蘭大學的Luke W. Guddat(盧克 W. 古達特)教授參與了此項研究。研究團隊特別感謝清華大學對攻關(guān)團隊的支持，特許攻關(guān)隊伍召集人員，在疫情期間順利開展科研工作。此項工作還獲得了上?？萍即髮W電鏡中心、免疫化學研究所、iHuman研究所、生命科學與技術(shù)學院、國家蛋白質(zhì)科學中心（上海）、澳大利亞昆士蘭大學和英國牛津大學的大力支持。
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原文鏈接：https://biorxiv.org/cgi/content/short/2020.03.16.993386v1
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