Science丨研究揭示流感病毒复制机器组装和RNA合成机制

流感病毒（Influenza virus）能够引起全球范围内的流感大流行和季节性流感疫情，造成数十万甚至上千万人死亡，是一个存在已久的重大公共卫生问题。流感病毒属于分节段负链RNA病毒（segmented negative-sense RNA virus，sNSV），其基因组容易通过突变和重排等方式发生变异，从而产生新的毒株。现有疫苗难以对新发毒株产生有效保护；目前主流的抗流感药物主要靶向其表面蛋白，但耐药性突变愈加频繁出现，亟需寻找新的靶点和开发广谱抗病毒药物。

流感病毒基因组包含7个（C型和D型）或8个（A型和B型）负链RNA片段，分别编码不同的病毒蛋白。每个RNA片段均被多个拷贝的核蛋白（nucleoprotein，NP）包裹，并与病毒聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase，RdRp）结合，形成一个核糖核蛋白复合体（ribonucleoprotein，RNP），介导病毒基因组的复制和转录。与病毒表面蛋白相比，RNP在进化上更加保守，是非常理想的抗病毒药物靶标。由于流感病毒RNP具有高度柔性，针对其结构研究是领域内一个历史难题。近年来，国内外多个团队已经对单独的流感聚合酶和NP进行了较为系统的研究，但完整的复制机器RNP的组装和工作机制仍不清楚。

近日，宾夕法尼亚大学Chang Yi-Wei教授与合作者团队由博士后研究员彭如超和徐欣主导在Science杂志发文Molecular basis of influenza ribonucleoprotein complex assembly and processive RNA synthesis，报道了完整的流感RNP复合体组装和RNA合成机制。

图 1. 流感病毒RNP结构和工作机制

研究人员首先通过复制子系统重组了流感病毒最短的RNP复合体（NS片段），以减小其柔性，并通过冷冻电镜单颗粒分析（cryo-electron microscopy single particle analysis，cryo-EM SPA）、螺旋重构（helical reconstruction）和局部柔性重构（local reconstruction and flexible refinement）方法获得了RNP中段双螺旋5.1Å分辨率的三维模型。这一结构确定了流感RNP是一个反向平行的右手双螺旋，并显示出连续的RNA密度被包装在双螺旋的小沟内（图1），解决了领域内一个持续十多年的争议性问题。随后，研究人员通过冷冻电子断层扫描（cryo-electron tomography，cryo-ET）和子断层平均（subtomogram averaging）方法对从病毒粒子中提取的天然RNP结构进行研究，在亚纳米分辨率水平揭示了其中NP亚基组装和RNA包装的分子细节，再次确证了其反向平行的右手双螺旋构造，并且观察到多种构象状态，暗示着两条链之间可以发生反向滑动。

Movie 1. 流感病毒RNP介导RNA转录工作过程

此外，他们在复制子来源的RNP样品中捕捉到聚合酶处于末端或中间的纳米分辨率结构，分别对应静息状态（resting state）和延伸状态（elongation state），发现聚合酶通过RNA连接到NP-RNA双螺旋外围，与NP之间形成动态或瞬时的相互作用。当处于延伸状态时，聚合酶锚定在双螺旋其中一条链上，保持与5’和3’-RNA末端的相互作用；而另一条链则从聚合酶另一侧滑过，瞬时释放RNA模板给聚合酶进行RNA合成，从而维持RNP整体双螺旋结构不被破坏（movie 1）。这一机制能够降低RNA延伸异常终止的概率，并避免激活宿主的天然免疫反应，使病毒能够高效复制。最后，研究人员发现RNP中相邻NP亚基间存在一个高度保守的界面，并基于结构设计了小分子抑制剂，能够在细胞水平有效抑制流感病毒感染。

综上所述，本研究首次在纳米至亚纳米分辨率水平揭示了流感病毒复制机器RNP复合体的组装细节和工作机制，为理解流感病毒基因组包装和复制转录机制提供了新的见解，并为开发新型广谱抗流感药物奠定了基础。

来源：BioArt

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