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解读!揭秘感染细胞中SARS-CoV-2的全长RNA基因组的精细化结构!

来源:本站原创 2020-07-29 12:52

2020年7月29日 讯 /生物谷BIOON/ --由单链RNA病毒SARS-CoV-2引起的COVID-19大流行会跨越物种感染人类,目前已经在全球范围内迅速蔓延开了,其感染人数超过了1000万,COVID-19感染者的症状可以从很轻到很重,包括发烧、咳嗽、咽喉痛及呼吸急促等,截至目前为止,科学家们正在不断研究寻找抗病毒药物和治疗性手段,但他们对SARS-CoV-2的结构和生物学机制还缺乏完整的了解。

近日,一篇发表在预印版网站bioRxiv上题为“Structure of The Full SARS-Cov-2 RNA Genome in Infected Cells”的研究报告中,来自怀特黑德生物医学研究所等机构的科学家们通过研究描述了在病毒转录过程中国扮演关键调节作用的SARS-CoV-2的RNA精细化结构,同时还揭示了病毒内一些主要药物靶点结构的显著差异。

对冠状病毒的早期研究结果表明,有几个保守区域在病毒复制过程中扮演着关键角色,比如5’UTR、3’UTR和移码元素(FSE),利用包括RNAse探针和核磁共振(NMR)光谱学技术对实验数据进行计算就能够得出病毒的结构,此外,这些亚基因组区域内的二级结构对病毒的复制和转录功能也非常重要。比如,FSE就位于ORF1a/ORF1b边界附近,其作用是将核糖体阅读框移动一个核苷酸的位置,这就能绕过ORF1a末端的终止密码子,并为暴露ORF1b编码的蛋白质提供机会,比如病毒RNA依赖性的RNA聚合酶(RdRP),对于许多病毒而言,移码的速度会受到严格的调节,因为移码百分比的微小改变都会促进基因组RNA产生以及感染所需病毒剂量发生巨大改变。基于这一原因,FSE就成为了一个主要的治疗性靶点,目前研究人员正在调查小分子药物是否能改变核糖体的滑动速度从而抑制病毒蛋白质的翻译。

图片来源:Tammy C. T. Lan, et al. bioRxiv (2020) doi:10.1101/2020.06.29.178343

SARS-CoV的FSE与SARS-CoV-2几乎完全相同,其仅有1个核苷酸的差异,NMR研究结果表明其是一个携带3个茎的假结结构,这种假结结构的存在会导致核糖体的功能停顿,随后就会反移一个核苷酸来释放这种张力,截止到目前为止,研究者并不清楚在SARS-CoV-2中的移位速度。对于FSE目前并没有有效的RNA结构模型,研究者并不清楚CoVs其它功能重要的基因组元件,其中包括大多数转录调节序列(TRS),这些段序列对于亚基因组RNA(sgRNAs)的转录至关重要。

早期的硅计算模型能通过利用用于全基因组RNA分析的化学探针进行改进,目前研究人员使用探针硫酸二甲酯(DMS)来探测整个RNA基因组的二级结构,研究者表示,我们的研究结果揭示了硅片内预测的重大差异,同时还强调了已知的功能元件的生理结构;随后他们将DMS添加到被感染的Vero细胞中,并利用测序进行突变分析,因为DMS在体内能迅速与未配对的腺嘌呤的胞嘧啶配对,随扈研究者在5’UTR内发现了5个茎环结构(SL),并在ORF1a起始附近发现了3个茎环结构,其均具有不同的重要功能。

病毒的复制需要SL1,而该区域高度保守的SL2也是复制所需要的,SL3则包含不连续转录所需要的领袖TRS,SL4是sgRNA合成所必需的,其能保持上游和下游茎环之间的适当距离。同时研究者还发现,FSE在细胞内能形成两种不同的结构(即结构1和2),但后期他们还需要进一步研究来阐明是否通过将核糖体停止在滑移位点而不是远离其的位点来提高移码的效率。

此前研究结果表明,在滑动序列上游形成假结点或稳定的茎能够改善移码率,但目前研究者并不清楚是否有特殊的研究来分析感染细胞中ORF1ab的翻译效率,研究者表示,N蛋白能参与结合并解绕TRS从而使其发挥作用,如果TRS的稳定性被改变或许就会降低与N蛋白的亲和力,进而改变sgRNAs的表达,这或许有望成为另一个治疗性靶点。

总的来讲,研究人员在整个基因组中发现了几个主要的RNA结构,同时还提出了一种新型的FSE模型,后期研究人员还将继续深入研究阐明SARS-CoV-2 FSE的替代结构到底是通过什么机制以及在多大程度上来调控ORF1ab翻译的,以及FSE是否能在细胞中折叠成为一种假结结构,相关研究结果或有望帮助科学家们后期开发出更多治疗SARS-CoV-2的新型疗法或预防性措施。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

【1】Structure of the full SARS-CoV-2 RNA genome in infected cells

【2】Tammy C. T. Lan, Matthew F. Allan, Lauren E. Malsick, et al. Structure of the full SARS-CoV-2 RNA genome in infected cells,bioRxiv (2020) doi:10.1101/2020.06.29.178343

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