新冠病毒(COVID-19)RNA依赖的RNA聚合酶的结构

本文为读后感，两篇原文见文后，读后感作者陈埔。

    2019冠状病毒病(COVID-19)现已成为全球大流行。该病毒是新型冠状病毒属的一个新成员，与严重急性呼吸道综合征冠状病毒(SARS-CoV)和几种蝙蝠冠状病毒密切相关。与SARS-CoV和MERS-CoV相比，COVID-19病毒表现出更快的人际传播，世卫组织已宣布全球进入公共卫生紧急状态。截至2020年5月17日13时，全球现存确诊病例241万例，累计确诊病例463万例，累计死亡病例30万例。 RNA依赖的RNA聚合酶(RdRp，也称为nsp12)是冠状病毒复制/转录机制的核心成分，也是抗病毒药物设计的主要靶点。文献报告了COVID-19病毒全长nsp12与辅因子nsp7和nsp8在2.9Å分辨率下的复合体的冷冻电镜结构。该结构为设计以RdRp为靶点的新型抗病毒药物奠定了基础。

结果：

1.RdRp的结构特征

图1：新型冠状病毒nsp12-nsp7-nsp8复合体的结构。（A）COVID-19病毒nsp12的结构域组成示意图；（B）nsp12-nsp7-nsp8复合体结构。 

图2：nsp12蛋白N端的NiRAN结构域和β发卡结构。（A）COVID-19与SARS-CoV的结构对比；（B）β发卡结构中与其他结构域相互作用的关键氨基酸。

    Nsp12包含两个较大的结构域，一个是RdRp保守结构域，另外一个是套式病毒（nidovirus）特有的NiRAN结构域，两个结构域通过interface结构域相连接。另外，在NiRAN结构域的前面还有一个β发卡结构域，插入到由NiRAN结构域和RdRp结构域中的palm子结构域形成的沟槽中（图1，A&B）。nsp7-nsp8的结构与SARS-CoV的 nsp7-nsp8结构具有极高的相似性，此外，nsp8也能够单独与nsp12形成复合体而不通过nsp7。

    虽然COVID-19病毒的nsp12-nsp7-nsp8复合体与SARS-CoV具有极高的相似性，但是也有明显的区别。与SARS-CoV相比，β发卡结构与蛋白其他区域的相互作用模式提高了整个蛋白的稳定性（图2，A&B）。此外，nsp12蛋白的C301-C306和C487-C645在没有DTT的情况下形成二硫键，在DTT存在的情况下，会形成锌指结构，和SARS-CoV的nsp12的锌指结构位置相同。

2. nsp12的工作方式

    文章模拟了RNA可能的结合位点，其在Polio virus 3D蛋白和HCV ns5b蛋白中是保守的，这些是RNA进入和结合的重要氨基酸（图3）,揭示了nsp12在病毒生命过程中发挥作用的过程和模式。

图3：RdRp核心结构。（A）COVID-19的nsp12结构；（B）HCV ns5b结构（PDB:4WTG）；(C)PV 3D结构（PDB: 3OLB）(D)以HCV ns5b结合RNA的复合物的结构为模板（PDB: 4WTG），模拟COVID-19 nsp12蛋白模板和NTP进入途径。

3. 模拟瑞德西韦与nsp12的结合方式

    报道称瑞德西韦能够与HCV ns5b进行结合，从而抑制RdRp活性，是一种潜在的抗丙肝病毒药物。由于nsp12与ns5b蛋白的相似性，瑞德西韦被认为可能具有抗新冠病毒活性（虽然目前的文章表明，其可能并没有临床抗病毒活性，参考文献2）。因此，文章以ns5b与瑞德西韦复合物为模板，模拟了瑞德西韦与nsp12可能的结合模式和参与互作的一些关键的氨基酸（如图4C,D,E）。 

图4：模拟瑞德西韦与nsp12的结合方式。(A)聚合酶基序的颜色如图3所示。HCV ns5b与pp-sofosbuvir (PDB ID: 4WTG)复合物与COVID-19病毒nsp12的结构叠加显示了两个催化离子(棕色球体)、启动核苷酸(U 0)、模板链和传入的pp-remdesivir在nsp12中的可能位置。(B to E) HCV Apo ns5b或其复合物与UDP、pp-sofosbuvir与COVID-19病毒nsp12的结构比较。

    综上所述，该结构揭示了病毒转录复制核心复合体nsp12-nsp7-nsp8的结构，即使类似于瑞德西韦这样的抗病毒药物不具有临床效果。该结构也能够为靶向设计药物提供重要的结构基础，有助于药物的研究。

文献：

1. Gao, Y., et al., Structure of the RNA-dependent RNA polymerase from COVID-19 virus. Science, 2020: p. eabb7498.

2. Wang, Y., et al., Remdesivir in adults with severe COVID-19: a randomised, double-blind, placebo-controlled, multicentre trial. The Lancet.