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            清華大學:饒子和院士團隊合作破譯抗新冠病毒關鍵藥靶三維結構

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              近日,“清華大學-上海科技大學抗新冠病毒聯合攻關團隊”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復合物”近原子分辨率的三維空間結構,揭示瞭該病毒遺傳物質轉錄復制機器核心“引擎”的結構特征,為開發針對新冠肺炎的藥物奠定瞭重要基礎。

              新冠肺炎疫情自2019年年底暴發以來,迅速在世界范圍內擴散流行,目前全球累計確診新冠肺炎約17萬人,死亡人數超過6500人,已覆蓋亞洲、美洲、歐洲、大洋洲、非洲的140多個國傢,短時間內對世界各國造成瞭巨大沖擊,對全人類產生瞭空前的影響。引起新冠肺炎的病原體是一種新型冠狀病毒,它與此前前大傢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)具有較近的親緣關系,被感染的患者會以發熱、乏力、幹咳為主要臨床表現,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)仍處於臨床研究階段。因此,針對新型冠狀病毒的藥物靶點研究以及新藥的研發迫在眉睫。

              新型冠狀病毒在入侵細胞後,便開始大量復制和克隆;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——RNA的合成過程中起著至關重要的作用。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,進行自我復制。RNA聚合酶作為這臺復制機器的核心部件,是病毒得以大量繁衍的關鍵,因而是最重要的抗病毒藥靶之一。破壞該核心設備的功能,就能阻止病毒的“傳宗接代”和數目擴增,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,通過代謝後,其最終產物就直接靶向病毒的RNA聚合酶。最近有報道稱,國外醫療機構對一名新冠肺炎重癥患者在同情用藥的原則下使用瞭瑞德西韋,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,由於新型冠狀病毒RNA聚合酶的三維結構完全未知,且瑞德西韋如何精確靶向病毒RNA聚合酶的機制仍不明瞭,這都為進一步開發更有效的抗病毒藥物設置瞭重重障礙。

              清華大學醫學院饒子和院士研究團隊自從2003年SARS暴發以來,17年間致力於冠狀病毒關鍵藥靶的研究以及抗病毒新藥的研發。研究團隊在SARS暴發期間,就曾在世界上解析瞭首個SARS病毒蛋白質(主要蛋白酶)的三維空間結構,為抗SARS藥物的研發提供瞭關鍵結構依據;隨後研究團隊又設計和開發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、病毒復制組裝機制方面開展瞭系統的研究。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聯盟,率先在國際上解析瞭首個新型冠狀病毒蛋白質(主要蛋白酶)與抑制劑復合物的高分辨率三維結構,並在臨床試驗藥物中發現瞭可以有效抑制新型冠狀病毒的抑制劑。在此基礎上,由饒子和院士/婁智勇教授/王權教授等組成“清華大學-上海科技大學抗新冠病毒聯合攻關團隊”,率先在國際上成功解析新型冠狀病毒“RdRp-nsp7-nsp8”復制機器2.9 Å的冷凍電鏡結構。

              上圖:新型冠狀病毒RdRp-nsp7-nsp8聚合酶復合物2.9 Å分辨率分子結構(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;瑞德西韋預期以效應分子(GS-443902)的形式結合於催化反應中心阻斷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合物處於不同視角下的分子形態。

              解析的復合物結構顯示,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,並含有套式病毒(nidovirus)的NiRAN特征結構域;同時病毒RNA聚合酶與病毒的輔助非結構因子nsp7/nsp8組成瞭復制機器。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端首次發現瞭“β發卡”結構域,而這一結構域的發現為闡明冠狀病毒RNA聚合酶的生物學功能又提供瞭新的依據。研究團隊通過對該原子分辨率結構的深入分析,發現瞭新型冠狀病毒RNA聚合酶行使功能的關鍵氨基酸殘基,並通過與“丙型肝炎病毒聚合酶ns5b-索非佈韋(Sofosbuvir)效應分子”復合物結構進行比對,提出瞭瑞德西韋的效應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”復制機器的內部構造,並為瑞德西韋的效應分子如何精確靶向復制機器的核心元件——病毒RNA聚合酶藥物的機制提出瞭合理解釋,這為深入研究新型冠狀病毒復制的分子機理奠定瞭重要的理論基礎,並為開發抗新冠肺炎的特效藥開辟瞭新途徑。


            饒子和指導學生科研工作

            (拍攝於2020年1月中旬)

            抗疫攻關小組通過視頻會議進行交流

            (拍攝於2020年3月)

              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聚合酶結構,一個主要的抗病毒藥物靶點)為標題的預印本已在BioRxiv在線發表(https://biorxiv.org/cgi/content/short/2020.03.16.993386v1)。為瞭方便更多的科技工作者、特別是藥物研發的科技人員使用,該結構的坐標可到PDB蛋白質結構數據庫(Protein Data Bank, PDB)下載(PDB ID: 6M71)。

              清華大學、上海科技大學聯合培養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並列第一作者,上海科技大學免疫化學研究所研究員王權、清華大學教授婁智勇、清華大學教授兼上海科技大學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。國傢蛋白質科學中心(上海)主任兼上海科技大學生命科學與技術學院教授許文青、上海科技大學iHuman研究所教授劉志傑和澳大利亞昆士蘭大學的Luke W. Guddat(盧克 W. 古達特)教授參與瞭此項研究。研究團隊特別感謝清華大學對攻關團隊的支持,特許攻關隊伍召集人員,在疫情期間順利開展科研工作。此項工作還獲得瞭上海科技大學電鏡中心、免疫化學研究所、iHuman研究所、生命科學與技術學院、國傢蛋白質科學中心(上海)、澳大利亞昆士蘭大學和英國牛津大學的大力支持。

              原文鏈接:

              https://biorxiv.org/cgi/content/short/2020.03.16.993386v1