編輯丨王多魚

排版丨水成文

RNA 病毒是一種極其簡單但高效的生命形式。在生命周期中，RNA 病毒利用有限的基因組，編碼幾個(gè)到十幾個(gè)蛋白質(zhì)，即可完成高效擴(kuò)增，這要求病毒基因組必須能夠高效的循環(huán)使用。同時(shí)，轉(zhuǎn)錄形成的新生 RNA 5' 端帶有三磷酸基團(tuán)，一旦釋放到宿主細(xì)胞中，會(huì)迅速激活宿主細(xì)胞的先天免疫反應(yīng)，因此必須立即對(duì)其 5' 端的三磷酸基團(tuán)進(jìn)行加工，形成 “帽”（Cap）結(jié)構(gòu)，從而逃逸宿主天然免疫的攻擊。

雖然基因組的高效重復(fù)使用、RNA 加帽是 RNA 病毒生命過程中最核心、最基礎(chǔ)的生物學(xué)事件，但自 1 00 多年前發(fā)現(xiàn)第一種 RNA 病毒至今，這兩個(gè)過程協(xié)同發(fā)生的機(jī)制一直是病毒學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵未解之謎。

2025 年 10 月 22 日 ，清華大學(xué)婁智勇教授 /饒子和院士、 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院朱蘭教授 團(tuán)隊(duì) 與廣州國家實(shí)驗(yàn)室、南開大學(xué)等單位合作，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Cell上發(fā)表了題為：Structural basis for the concurrence of template recycling and RNA capping in SARS-CoV-2 的研究論文。

該研究揭示了冠狀病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制過程中 RNA 模板循環(huán)和 RNA 加帽的共發(fā)生機(jī)制，重構(gòu)了病毒領(lǐng)域?qū)?RNA 病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制過程的認(rèn)知體系，結(jié)束了對(duì)冠狀病毒解旋酶極性、加帽機(jī)制等問題長達(dá) 2 5 年的爭論。

這是該團(tuán)隊(duì)在冠狀病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制機(jī)制的研究中，自2020以來在Science、Cell等期刊上連續(xù)發(fā)表 10 項(xiàng)成果后的又一重要工作。

圍繞冠狀病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制過程，該團(tuán)隊(duì) 在過去 5 年里， 先后闡明了 “核心轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)合體”（C-RTC）、“延伸復(fù)合體”（E-RTC） 、“加帽中間態(tài)復(fù)合體” 和“Cap0 加帽 復(fù)合體 ” 的工作機(jī)制 。

在這些工作的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種全新核酸骨架，成功捕捉到轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)合體“加帽起始前狀態(tài)”（Pre-Capping Initiation，Pre-CI）和“加帽起始后狀態(tài)”（Post-Capping Initiation，Post-CI）兩個(gè)超級(jí)復(fù)合體，闡明了 RNA 模板循環(huán)和 RNA 加帽起始過程協(xié)同發(fā)生的分子機(jī)制（圖1）。

圖1 . 冠狀病毒“模板循環(huán)”和“RNA加帽起始”共發(fā)生機(jī)制的模型

在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)合成了具有 3 9 bp 配對(duì)雙鏈的RNA骨架，利用高活性的新冠病毒解旋酶和其他轉(zhuǎn)錄復(fù)制酶，共同組裝成“加帽起始前狀態(tài)”復(fù)合體（圖2）。該復(fù)合體包含四個(gè)延伸復(fù)合體（E-RTC），其中兩個(gè)延伸復(fù)合體形成“背靠背”二聚體形態(tài)，再由兩個(gè)二體以“頭對(duì)頭”的模式形成四聚體形態(tài)的超級(jí)復(fù)合體。在超級(jí)復(fù)合體中，由聚合酶 nsp 12 催化位點(diǎn)延伸出來的“模板-產(chǎn)物”雙鏈 RNA，被處于“頭對(duì)頭”位置的延伸復(fù)合體中的解旋酶解開為單鏈，并進(jìn)一步將模板 RNA 傳遞至“頭對(duì)頭”位置的延伸復(fù)合體中的聚合酶催化反應(yīng)中心，從而實(shí)現(xiàn)了模板 RNA 的循環(huán)再利用。

圖2 . （a）組裝加帽起始前狀態(tài)復(fù)合體所使用的RNA骨架。（b）加帽起始前狀態(tài)復(fù)合體的四聚體全貌。（c）加帽起始前狀態(tài)復(fù)合體中“模板-產(chǎn)物”雙鏈RNA的解旋。

在“加帽起始前狀態(tài)”復(fù)合體中，另一關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)是團(tuán)隊(duì)首次確定了冠狀病毒解旋酶 3'-5' 的解旋極性 ，明確了解旋的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，展現(xiàn)了由 ATP 水解驅(qū)動(dòng)的雙鏈 RNA 解旋動(dòng)態(tài)過程（圖3）。在冠狀病毒研究領(lǐng)域，自從 2 000 年第一次確定其解旋酶以來，一直認(rèn)為其解旋極性是5' -3' ，但由于和許多認(rèn)知相沖突，一直備受爭議。這項(xiàng)工作利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段，直觀、明確的表明冠狀病毒解旋酶的解旋方向，終結(jié)了對(duì)這一問題的爭論。

圖3 . 左圖，新冠病毒解旋酶的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元。右圖，ATP水解驅(qū)動(dòng)的雙鏈RNA解旋模式圖。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了具有非配對(duì)雙鏈的 RNA 骨架，通過在體系中加入 nsp 9 蛋白，捕捉到“加帽起始后狀態(tài)”的復(fù)合體（圖4）。加入 nsp 9 蛋白后，復(fù)合體由加帽起始前狀態(tài)的四聚體形態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)榧用逼鹗己鬆顟B(tài)下的二聚體形態(tài)。最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，RNA 產(chǎn)物鏈 5' 端三磷酸集團(tuán)，和 nsp 9 蛋白 N 端氨基酸共定位于聚合酶 NiRAN 結(jié)構(gòu)域的催化位點(diǎn)。

在以往的研究中，一般認(rèn)為冠狀病毒的加帽過程由 nsp 13 、nsp 12 NiRAN 結(jié)構(gòu)域、nsp 14 、nsp 16 四個(gè)酶分子先后催化完成。2 022 年，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了由 nsp 9 RNAylation 介導(dǎo)的 RNA 加帽的全新機(jī)制，在該機(jī)制中，nsp 12 NiRAN 結(jié)構(gòu)域可以不依賴 nsp 13 ，獨(dú)立起始 RNA 加帽過程，但這兩種加帽機(jī)制到底哪種更接近真實(shí)生命過程還存在爭論。

而這項(xiàng)最新成果明確表明，新生 RNA 產(chǎn)物鏈 5' 端不會(huì)釋放到溶液中、并由 nsp 13 進(jìn)行初步加工，而是直接進(jìn)入 nsp 12 NiRAN 結(jié)構(gòu)域，通過 nsp9 RNAylaion 介導(dǎo)的方式起始 RNA 加帽過程，更新了對(duì)冠狀病毒加帽過程的認(rèn)知。也再一次以無可辯駁的結(jié)構(gòu)生物學(xué)證據(jù)證明了團(tuán)隊(duì)此前發(fā)現(xiàn)的 NiRAN 催化、以 GTP 為底物的 RNA 加帽機(jī)制，終結(jié)了圍繞 NiRAN 加帽機(jī)制的爭論。

圖4 . （a）組裝加帽起始后狀態(tài)復(fù)合體所使用的RNA骨架。（b）加帽起始后狀態(tài)復(fù)合體全貌。（c）加帽起始后狀態(tài)復(fù)合體中RNA產(chǎn)物鏈5’三磷酸集團(tuán)與nsp9 蛋白共同定位于NiRAN結(jié)構(gòu)域催化中心。

該成果重構(gòu)了對(duì)病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制過程的認(rèn)識(shí)體系，結(jié)束了對(duì)冠狀病毒解旋酶極性、加帽機(jī)制等問題長達(dá) 2 5 年的爭論。該成果 的獲得得益于研究團(tuán)隊(duì)在冠狀病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制領(lǐng)域中 2 0 余年的長期積累。

自 2020 年以來，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了新冠病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制過程，闡明了 轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)合體多個(gè)狀態(tài) 三維結(jié)構(gòu)，為認(rèn)識(shí)病毒的生命過程、發(fā)展高效抗病毒藥物提供了關(guān)鍵信息，還對(duì)新冠病毒對(duì)女性生殖道感染，以及新冠病毒滅活疫苗接種對(duì)母胎影響方面進(jìn)行了深入研究，先后在Science、Cell等期刊發(fā)表系列研究論文 ，是國際上新冠病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制研究中最為系統(tǒng)、引用最多的工作之一，成果入選 “中國科學(xué)十大進(jìn)展”、“中國生命科學(xué)領(lǐng)域十大進(jìn)展”、“中國 2021 年度醫(yī)學(xué)重要進(jìn)展”、“中華醫(yī)學(xué)科技獎(jiǎng)”等。

清華大學(xué)婁智勇教授 、饒子和院士和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院朱蘭教授為論文共同通訊作者，清華大學(xué)閆利明博士 、南開大學(xué)黃羽岑博士、南京醫(yī)科大學(xué)葛基博士，清華大學(xué)劉奕瀟、高山、譚麗萍、劉璐為論文共同第一作者，該研究得到了南開大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)和清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的支持。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)01090-6