清华大学最新Cell论文：娄智勇/饶子和团队发现冠状病毒复制模板循环与RNA加帽的协同机制

RNA 病毒是一种极其简单但高效的生命形式。在生命周期中，RNA 病毒利用有限的基因组，编码几个到十几个蛋白质，即可完成高效扩增，这要求病毒基因组必须能够高效的循环使用。同时，转录形成的新生 RNA 5' 端带有三磷酸基团，一旦释放到宿主细胞中，会迅速激活宿主细胞的先天免疫反应，因此必须立即对其 5' 端的三磷酸基团进行加工，形成“帽”（Cap）结构，从而逃逸宿主天然免疫的攻击。

虽然基因组的高效重复使用、RNA 加帽是 RNA 病毒生命过程中最核心、最基础的生物学事件，但自 100 多年前发现第一种 RNA 病毒至今，这两个过程协同发生的机制一直是病毒学领域的关键未解之谜。

2025 年 10 月 22 日，清华大学娄智勇教授/饶子和院士、中国医学科学院北京协和医院朱兰教授团队与广州国家实验室、南开大学等单位合作，在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：Structural basis for the concurrence of template recycling and RNA capping in SARS-CoV-2 的研究论文。

该研究揭示了冠状病毒转录复制过程中 RNA 模板循环和 RNA 加帽的共发生机制，重构了病毒领域对 RNA 病毒转录复制过程的认知体系，结束了对冠状病毒解旋酶极性、加帽机制等问题长达 25 年的争论。

这是该团队在冠状病毒转录复制机制的研究中，自2020以来在Science、Cell等期刊上连续发表10项成果后的又一重要工作。

围绕冠状病毒转录复制过程，该团队在过去 5 年里，先后阐明了“核心转录复制复合体”（C-RTC）、“延伸复合体”（E-RTC）、“加帽中间态复合体”和“Cap0 加帽复合体”的工作机制。

在这些工作的基础上，该团队设计了多种全新核酸骨架，成功捕捉到转录复制复合体“加帽起始前状态”（Pre-Capping Initiation，Pre-CI）和“加帽起始后状态”（Post-Capping Initiation，Post-CI）两个超级复合体，阐明了 RNA 模板循环和 RNA 加帽起始过程协同发生的分子机制（图1）。

图1. 冠状病毒“模板循环”和“RNA加帽起始”共发生机制的模型

在该工作中，研究团队首先设计合成了具有 39 bp 配对双链的RNA骨架，利用高活性的新冠病毒解旋酶和其他转录复制酶，共同组装成“加帽起始前状态”复合体（图2）。该复合体包含四个延伸复合体（E-RTC），其中两个延伸复合体形成“背靠背”二聚体形态，再由两个二体以“头对头”的模式形成四聚体形态的超级复合体。在超级复合体中，由聚合酶 nsp12 催化位点延伸出来的“模板-产物”双链 RNA，被处于“头对头”位置的延伸复合体中的解旋酶解开为单链，并进一步将模板 RNA 传递至“头对头”位置的延伸复合体中的聚合酶催化反应中心，从而实现了模板 RNA 的循环再利用。

图2. （a）组装加帽起始前状态复合体所使用的RNA骨架。（b）加帽起始前状态复合体的四聚体全貌。（c）加帽起始前状态复合体中“模板-产物”双链RNA的解旋。

在“加帽起始前状态”复合体中，另一关键性发现是团队首次确定了冠状病毒解旋酶 3'-5' 的解旋极性，明确了解旋的关键结构单元，展现了由 ATP 水解驱动的双链 RNA 解旋动态过程（图3）。在冠状病毒研究领域，自从 2000 年第一次确定其解旋酶以来，一直认为其解旋极性是5'-3'，但由于和许多认知相冲突，一直备受争议。这项工作利用结构生物学手段，直观、明确的表明冠状病毒解旋酶的解旋方向，终结了对这一问题的争论。

图3. 左图，新冠病毒解旋酶的关键结构单元。右图，ATP水解驱动的双链RNA解旋模式图。

随后，研究团队设计合成了具有非配对双链的 RNA 骨架，通过在体系中加入 nsp9 蛋白，捕捉到“加帽起始后状态”的复合体（图4）。加入 nsp9 蛋白后，复合体由加帽起始前状态的四聚体形态，转变为加帽起始后状态下的二聚体形态。最关键的一点是，RNA 产物链 5' 端三磷酸集团，和 nsp9 蛋白 N 端氨基酸共定位于聚合酶 NiRAN 结构域的催化位点。

在以往的研究中，一般认为冠状病毒的加帽过程由 nsp13、nsp12 NiRAN 结构域、nsp14、nsp16 四个酶分子先后催化完成。2022年，研究团队发现了由 nsp9 RNAylation 介导的 RNA 加帽的全新机制，在该机制中，nsp12 NiRAN 结构域可以不依赖 nsp13，独立起始 RNA 加帽过程，但这两种加帽机制到底哪种更接近真实生命过程还存在争论。

而这项最新成果明确表明，新生 RNA 产物链 5' 端不会释放到溶液中、并由 nsp13 进行初步加工，而是直接进入 nsp12 NiRAN 结构域，通过 nsp9 RNAylaion 介导的方式起始 RNA 加帽过程，更新了对冠状病毒加帽过程的认知。也再一次以无可辩驳的结构生物学证据证明了团队此前发现的 NiRAN 催化、以 GTP 为底物的 RNA 加帽机制，终结了围绕 NiRAN 加帽机制的争论。

图4. （a）组装加帽起始后状态复合体所使用的RNA骨架。（b）加帽起始后状态复合体全貌。（c）加帽起始后状态复合体中RNA产物链5’三磷酸集团与nsp9蛋白共同定位于NiRAN结构域催化中心。

该成果重构了对病毒转录复制过程的认识体系，结束了对冠状病毒解旋酶极性、加帽机制等问题长达 25 年的争论。该成果的获得得益于研究团队在冠状病毒转录复制领域中 20 余年的长期积累。

自 2020 年以来，研究团队系统研究了新冠病毒转录复制过程，阐明了转录复制复合体多个状态三维结构，为认识病毒的生命过程、发展高效抗病毒药物提供了关键信息，还对新冠病毒对女性生殖道感染，以及新冠病毒灭活疫苗接种对母胎影响方面进行了深入研究，先后在 Science、Cell 等期刊发表系列研究论文，是国际上新冠病毒转录复制研究中最为系统、引用最多的工作之一，成果入选 “中国科学十大进展”、“中国生命科学领域十大进展”、“中国 2021 年度医学重要进展”、“中华医学科技奖”等。

清华大学娄智勇教授、饶子和院士和中国医学科学院北京协和医院朱兰教授为论文共同通讯作者，清华大学闫利明博士、南开大学黄羽岑博士、南京医科大学葛基博士，清华大学刘奕潇、高山、谭丽萍、刘璐为论文共同第一作者，该研究得到了南开大学、上海科技大学和清华大学冷冻电镜平台的支持。