《科学》发表张岩课题组新冠病毒研究成果

来源 :基础医学系    发布时间 :2020-05-02    浏览次数 :3081

目前,新型冠状病毒SARS-CoV-2感染引起的新型冠状肺炎COVID-19已在全球大规模流行。截至今日,全球已有320多万人感染,并造成20多万人死亡,对人类健康、经济发展产生了巨大的影响。疫情发生以来,全球科研工作者和医疗工作者都在努力寻找有效药物和治疗手段。

新型冠状病毒遗传物质复制机器RNA依赖性RNA聚合酶(RdRp)是新型冠状病毒催化其遗传物质RNA合成,病毒复制并实现迅速传染的关键蛋白,因而被认为是最重要的抗病毒药物靶点之一。瑞德西韦(Remdesivir)原本计划用于治疗埃博拉病毒,同时在前期的细胞和动物实验中也显示出对SARS冠状病毒、MERS冠状病毒有较好的抗病毒活性,因此在本次新冠疫情期间成为倍受关注的在研疗法。瑞德西韦被认为主要通过其代谢产物三磷酸瑞德西韦抑制冠状病毒RdRp活性达到抗病毒效果。值得注意的是,自从2003SARS疫情爆发以来,冠状病毒RdRp聚合酶与抗病毒药物的复合物结构一直悬而未决,一定程度上阻碍了相关靶向药物的研发进展。

202051日,浙江大学基础医学院生物物理学系、附属邵逸夫医院病理科和浙江省免疫与炎症疾病重点实验室张岩课题组联合中国科学院上海药物研究所徐华强、许叶春课题组和以及中国医学科学院北京协和医院-清华大学医学院张抒扬课题组在《科学》杂志发表了题为《Structural Basis for the Inhibition of the RNA-Dependent RNA Polymerase from SARS-CoV-2 by Remdesivir》的研究论文。研究团队率先在国际上成功解析了瑞德西韦与新型冠状病毒复制机器RdRp的冷冻电镜三维空间结构,分辨率达到2.5埃。该工作揭示了瑞德西韦抗病毒机制的结构基础,为靶向药物的后续研发提供了精确的三维空间结构信息。

RdRp的核心成分主要是RNA依赖的RNA聚合酶催化亚基nsp12,同时nsp7nsp8两个辅助蛋白也参与遗传信息复制。为了阐释新型冠状病毒如何完成其遗传物质RNA的复制以及瑞德西韦抗病毒的药理机制,张岩课题组与上海药物所、北京协和医院、清华大学医学院等单位合作进行新型冠状病毒RdRp的结构生物学以及药理学研究。张岩课题组于311日首次尝试基于冷冻电镜的RdRp结构生物学研究,并迅速完成了RdRp apo复合物的结构解析,空间分辨率达到2.8埃。但是在处理RdRp结合遗传物质RNA以及抗病毒药物瑞德西韦复合物的样品上遇到了挑战,遗传信息RNA在冷冻制样过程中受到气液界面强烈剪切力的影响极易从RdRp上解离。疫情所需刻不容缓,课题组暂停了其它在研项目,全力奋战,投入到对冷冻制样条件的系统筛选和优化,最终于45日成功获得分辨率为2.5埃的复合物结构。团队迅速着手进行结构分析,并于48日在bioRxiv上向全球公布了相关研究成果,并同时公开结构信息。

高分辨率的新型冠状病毒RdRp-RNA-瑞德西韦复合物的电镜结构,首次展示了冠状病毒复制机器与遗传信息RNA相互作用的空间结构信息。结构显示三磷酸瑞德西韦最终以单磷酸形式(RMP)共价结合到RNA引物链(模拟遗传信息经RdRp复制后的产物)3'端的+1位置,终止了RNA引物链的延伸,从而阻止了新型冠状病毒遗传物质的复制。冷冻电镜密度图也清晰展示了三磷酸瑞德西韦经过RdRp催化反应结合到RNA引物链后残留的焦磷酸根。该发现揭示了瑞德西韦抑制新型冠状病毒复制酶活性的机制,为瑞德西韦等相关药物的优化提供了结构依据。同时,也为靶向新型冠状病毒RdRp的新型药物筛选以及药物设计提供了精确的三维空间信息。


A-B,新型冠状病毒RNA聚合酶—RNA模板—瑞德西韦复合物的电镜密度图(A)以及结构模型(B)。C,瑞德西韦占据新型冠状病毒RNA聚合酶的催化活性中心(瑞德西韦显示为洋红色)。


疫情爆发以来,新型冠状病毒RdRp的结构研究引起了全球科研工作者的关注。317日,饶子和院士团队首次公布了2.9RdRp apo复合物的结构(https://doi.org/10.1101/2020.03.16.993386),并于410日正式在《科学》杂志上发表;48日,本团队分别公布了2.8RdRp apo复合物以及2.5RdRp-RNA-瑞德西韦复合物的结构,揭示了新型冠状病毒遗传信息复制以及抗病毒药物瑞德西韦的作用机制(https://doi.org/10.1101/2020.04.08.032763);427日,德国马普生物物理化学研究所Patrick Cramer团队,公布了2.9-3.5RdRp与长链RNA的结构,揭示了nsp8在遗传信息复制中的可能发挥的功能(https://doi.org/10.1101/2020.04.27.063180)。新型冠状病毒还在肆虐,这需要全球科研以及医疗工作者的持续努力,从而获得这场战役的最终胜利。

参与本项研究成员合照

据悉,在本研究中,浙江大学基础医学院张岩课题组完成了基于冷冻电镜的结构生物学研究工作;上海药物所徐华强课题组主要完成了RdRp结合底物RNA和瑞德西韦复合物的组装;张抒扬课题组负责RdRp体外活性测试;许叶春课题组负责其他抗病毒药物的分子对接;中科院上海药物所蒋华良和沈敬山课题组在瑞德西韦三磷酸活性成分合成方面给予了大力支持。

浙江大学基础医学院博士后毛春友、研究助理沈丹丹、博士后沈庆亚,上海药物研究所博士后尹万超、博士后苏海霞,清华大学医学院博士生栾晓东为论文共同第一作者;浙江大学冷冻电镜中心常圣海博士为本次研究的电镜数据收集给予了大力协助。张岩研究员与徐华强研究员、许叶春研究员和张抒扬教授为论文共同通讯作者。张岩课题组获得了浙江大学新型冠状病毒肺炎(COVID-19)应急科研专项和国家自然基金委优秀青年项目资助。

原文链接:https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/30/science.abc1560