Nature：探索L聚合酶的复制，为狂犬病等疾病攻克奠定新的基础

2023-09-18 14:45 · 生物探索

以EBOV L聚合酶为代表，在酶促实验中发现，L聚合酶的novo复制受EBOV基因组特异性3′先导序列控制，至少3个碱基可以有效地驱动RNA合成的延伸过程，而不依赖于特异性RNA序列。

非分段负链RNA病毒（nsNSV），包括埃博拉病毒（EBOV）、狂犬病病毒、人呼吸道合胞病毒和肺病毒，可引起人类和动物的呼吸道感染、出血热和脑炎，并被视为全球重大的健康和经济负担。病毒基因组的复制和转录由大L聚合酶执行，L聚合酶是开发抗病毒药物的有希望的靶标。

2023年9月12日，中国科学院微生物研究所施一、高福及齐建勋共同通讯在Nature 在线发表题为“Molecular mechanism of de novo replication by the Ebola virus polymerase”的研究论文，该研究揭示了埃博拉病毒聚合酶从头复制的分子机制。该研究以EBOV L聚合酶为代表，在酶促实验中发现，L聚合酶的novo复制受EBOV基因组特异性3′先导序列控制，至少3个碱基可以有效地驱动RNA合成的延伸过程，而不依赖于特异性RNA序列。

该研究确定了EBOV L-VP35-RNA复合物的高分辨率结构，并发现3 '先导RNA以独特的稳定弯曲构象结合在模板进入通道中。进一步的突变研究证实了RNA的弯曲构象是RNA从头复制活性所必需的，并揭示了L蛋白中稳定RNA构象的关键残基。这些发现为nsNSV聚合酶的RNA合成提供了新的机制，并揭示了抗病毒药物开发的重要靶点。

负链RNA病毒(NSVs)包括许多高度流行的人类和动物病原体，如埃博拉病毒(EBOV)、拉沙病毒(LASV)、尼帕病毒、狂犬病病毒(RABV)、流感病毒和人类呼吸道合胞病毒(HRSV)。NSVs被认为是对全球经济和公共卫生的重大威胁。因此，更好地了解NSV复制的分子机制和开发新的抗NSV感染的抗病毒药物对于对抗这些病毒至关重要。

根据病毒基因组的组织结构，NSVs可进一步分为包括EBOV在内的非节段NSVs (nsNSVs)和包括流感病毒在内的节段NSVs (sNSVs)。nsNSVs和sNSVs的单链RNA基因组都与病毒核蛋白组装成螺旋构型的病毒核糖核蛋白(vRNP)复合物。在sNSVs中，每个基因组病毒RNA (vRNA) 片段可以通过在同一病毒群中高度保守的部分互补的5 '和3 '末端形成一个“伪环”。而对于nsNSVs, vRNA的5 ' 和3 '端通常分别位于相反的两端。

所有NSVs编码含有RNA依赖性RNA 聚合酶(RdRP)结构域的大RNA聚合酶，并在vRNPs的背景下复制或转录vRNA基因组。在过去的几年中，作者对sNSVs的复制和转录机制获得了实质性的结构见解，包括正黏液病毒A病毒、B病毒、C病毒和D病毒。许多sNSV RNA聚合酶的结构表明，RNA聚合酶通常具有一个保守的RdRP核心，表现为具有拇指、手指和手掌亚结构域的右手状褶皱，以及其他几个功能结构域，包括核酸内切酶结构域和帽结合结构域。

EBOV L-VP35-RNA复合物的整体结构（图源自Nature ）

nsNSVs的聚合酶在基因组3′端启动转录，先导区和内部基因依次转录成先导RNA和具有5′-cap和3′-poly (A)尾结构的单顺反子mRNA。据推测，nsNSVs的转录遵循一种启停机制，通过识别每个病毒基因侧面的基因起始(GS) 和基因结束(GE)信号。每个转录本在各自的GE信号处终止后，聚合酶要么与模板分离，要么在其GS信号处继续下游转录本的合成。对于基因组复制，聚合酶也在基因组的3 '端启动，产生全长补体基因组RNA，忽略所有GS和GE信号。关于聚合酶如何从转录转换到复制的分子机制尚不清楚，这种转换可能受到P蛋白磷酸化或其他转录激活因子状态的调节。

目前，在nsNSV RNA聚合酶复合物的可用结构中未观察到RNA结合。这些聚合酶如何识别基因组和抗基因组RNA中的末端启动子元件仍然是难以捉摸的。先前的研究表明，VSV和RABV L蛋白的N端残基以及P蛋白的C端结构域可能参与病毒RNA的结合，因为它们位于模板RNA进入通道附近。然而，准确的聚合酶-RNA相互作用尚不清楚，这极大地阻碍了人们对nsNSVs RNA复制和转录事件的起始机制的分子理解。EBOV作为非nsNSV的代表，对人类具有高致病性，可引起出血热和多器官衰竭等严重临床症状。EBOV RNP复合体负责病毒RNA合成，而L-VP35复合体是有效RNA聚合活性的基本功能单元。

最近，利用冷冻电镜(cryo-EM)方法解决了EBOV L-VP35-RNA复合物的整体结构，并清楚地显示了L蛋白中与辅因子VP35四聚体紧密相互作用的活性位点的结构特征。然而，对于识别其vRNA启动子的L蛋白的功能和结构特征知之甚少，这阻碍了对EBOV复制从头起始过程的分子理解。总之，该研究提供了EBOV L聚合酶识别基因组RNA的第一个结构细节，并揭示了nsNSV复制起始的独特机制。这些发现将极大地增强人们对nsNSV RNA聚合酶合成RNA的机制的理解，并为开发针对nsNSV聚合酶的新型抗病毒药物开辟道路。

文章来源“iNature”

关键词： L聚合酶