饒子和院士等人新研究:解析新冠病毒中瑞德西韋靶標三維結構
2020年03月20日19:54

原標題:饒子和院士等人新研究:解析新冠病毒中瑞德西韋靶標三維結構

當地時間3月17日,生物醫學預印本平台bioRxiv發佈了一項題為“Structure of RNA-dependent RNA polymerase from 2019-nCoV, a major antiviral drug target”(未經同行審議)的研究成果。中外多所高校的科研團隊率先在國際上成功解析了新型冠狀病毒RNA依賴性RNA聚合酶(RdRp)的結構。

RdRp是主要的抗病毒藥物靶點,也是當下被寄予很大希望的瑞德西韋等抗病毒藥物的主要靶標。作者們認為,這一研究將為開髮針對新冠肺炎的藥物奠定重要基礎。

該文章的科研團隊包括:清華大學結構生物學實驗室、上海科技大學高級免疫化學研究所生命學院、南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室、廣西大學亞熱帶農業生物保護利用國家重點實驗室、天津大學生命科學學院、中國科學院生物大分子研究中心,以及澳州昆士蘭大學化學及太空分子生物學系等。

文章通訊作者為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、上海科技大學特聘教授、中國科學院院士饒子和。

饒子和團隊在SARS(嚴重急性呼吸綜合徵)疫情暴發期間,是全球首個解析SARS病毒蛋白質(主要蛋白酶)三維結構的團隊。在此次新冠肺炎疫情中,饒子和院士/楊海濤教授團隊和蔣華良院士團隊合作,率先在國際上解析了首個新型冠狀病毒蛋白質(主要蛋白酶)與抑製劑復合物的高解像度三維結構。

新冠病毒RdRp的冷凍電鏡結構

RdRp(也稱為nsp12)能夠催化病毒RNA的合成,是冠狀病毒複製/轉錄機製的關鍵組成部分,以RNA聚合酶為核心,病毒會利用其它輔助因子(如nsp7、nsp8等)進行自我複製。

值得一提的是,RdRp也是瑞德西韋等抗病毒藥物的主要靶標,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。

在收集和處理了7994份電鏡圖片後,研究人員解析了新型冠狀病毒全長nsp12與輔助因子nsp7和nsp8組成的復合物的冷凍電鏡三維空間結構,解像度達2.9埃。

研究人員發現,除了病毒聚合酶家族聚合酶核心的保守結構和冠狀病毒RdRp中特有的NiRAN結構域外,nsp12在其N末端還有一個新發現的β-髮夾結構域(β-hairpin domain)。

新冠病毒nsp12的結構包含一個“右手”(“right hand”)聚合酶結構域和一個包含有病毒RdRp相關的核苷酸轉移酶(NiRAN)的Nidovirus獨有的N端延伸域架構,它們通過接口域(A250-F369殘基)連接。

“右手”(“right hand”)聚合酶結構域呈現出病毒聚合酶家族的保守結構,由3個亞結構域組成,包括1個手指(fingers)亞結構域、1個手掌(palm)亞結構域和1個拇指(thumb)亞結構域。

在冷凍電鏡圖譜下,研究人員還構建了另外1個N末端的β-髮夾結構,它插入到由NiRAN結構域和RdRp結構域組成的手掌(palm)結構域箝制的凹槽中。與SARS-CoV nsp7-nsp8對相似,新冠病毒nsp7-nsp8對也顯示出保守結構。

新冠病毒的N末端NiRAN結構域和β-髮夾結構

研究人員指出,儘管新冠病毒nsp12-nsp7-nsp8復合物的總體結構大體上與SARS冠狀病毒相似,但仍有一些關鍵特徵是不同的。

第一,冷凍電鏡圖譜使研究團隊能夠構建涵蓋幾乎所有殘基的2019-nCoV(2019新型冠狀病毒)的nsp12結構,從而首次深入瞭解了冠狀病毒RdRp的完整架構。SARS病毒nsp12的末端有7個帶有三鏈β-摺疊的螺旋,它們構成了NiRAN域。而在2019-nCoV中,殘基Y69-R118構成具有3個反平行β鏈和一個螺旋的附加結構嵌段,殘基N215-D218在nsp12中形成β鏈。

研究人員認為,該區域與鏈(殘基V96-A100)的接觸有助於使其穩定。最終,這四根鏈形成了緊湊的半β-桶形結構。

第二,通過冷凍電鏡圖譜,研究人員識別了新冠病毒中獨特的N末端β-髮夾結構。該結構插入由NiRAN域和RdRp域中的手掌子域夾住的凹槽中,並形成一組緊密接觸以穩定整體結構。

第三,與SARS病毒不同,研究人員在2019-nCoV nsp12對應位置中未觀察到被螯合的鋅離子。相反,圖像顯示C301-C306和C487-C645在結構中形成了二硫鍵。研究人員推斷,是不同的純化緩衝液、冷凍電鏡采樣和重建方法導致了這種差異。

瑞德西韋作用於2019-nCoV nsp12

瑞德西韋(GS-5734)是一款腺嘌呤類似物的藥物前體,由吉利德科學公司(Gilead Sciences)研發,尚未在全球在任何地方獲得許可或批準,據報導,在臨床上它可以抑製2019-nCoV增殖並具有治療患者的潛力。

但是,目前為止瑞德西韋如何精確靶向病毒RNA聚合酶的機製仍不明了,這成為了進一步開發更有效的抗病毒藥物的阻礙。

據此前《自然綜述·藥物發現》(Nature Reviews Drug Discovery)在線發表的COVID-19治療方案綜述文章,包括瑞德西韋在內的核苷類似物通常為腺嘌呤或鳥嘌呤的衍生物,它們能夠被RdRP使用合成RNA鏈,在包括人類冠狀病毒在內的多種RNA病毒中阻斷病毒RNA的合成。

瑞德西韋的結構與已經獲批的愛滋病病毒(HIV)逆轉錄酶抑製劑替諾福韋艾拉芬酰胺(tenofovir alafenamide)類似。瑞德西韋等鏈終止核苷酸類似物的功效需要通過識別病毒RdRps將抑製劑的活性形式摻入正在生長的RNA鏈中。

由於2019-nCoV和HCV(丙型肝炎)ns5b聚合酶之間在催化腔上的結構保守性,以及瑞德西韋和sofosbuvir(索非布韋,靶向HCV ns5b的藥物,已被批準用於治療慢性HCV感染)的可能相似的作用機理,研究團隊提出了瑞德西韋在2019-nCoV nsp12中的納入模型。

兩種藥物作用於2019-nCoV nsp12的納入模型,AB代表瑞德西韋,CD為索非布韋

研究人員發現,在2019-nCoV nsp12中,瑞德西韋的多個羥基可能與基序作用,此外,基序F中的1個側鏈可能會與進入的三磷酸瑞德西韋(ppp-remdesivir)進行堿基配對。

在幾種人體細胞系中,瑞德西韋可以有效地代謝為活性核苷三磷酸。一項體外研究表明,核苷三磷酸與三磷酸腺苷形成聯合競爭,干擾病毒的RdRp,類似扮演延遲RNA鏈終止子的角色,避免病毒外核糖核酸酶的校正,並導致病毒RNA產量下降。

作者們在文章最後寫道,2019-nCoV在全球的迅速傳播強調了開發新的冠狀病毒疫苗和治療劑的必要性。新冠病毒聚合酶nsp12看起來是新療法的絕佳靶標,特別是考慮到瑞德西韋等抑製劑已經在研發過程中。

新冠病毒RdRP以及其他有希望的藥物靶標(例如主要蛋白酶),將支持抗冠狀病毒雞尾酒療法的開發,這些治療手段可以進一步被用於冠狀病毒廣譜抗病毒藥物的研發。

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