张抒扬/薛毅/徐华强合作揭示新冠病毒核衣壳蛋白与RNA潜在组装机制

核衣壳蛋白（Nucleocapsid，N蛋白）作为冠状病毒的主要结构蛋白之一，在新冠病毒的生命周期中起着至关重要的作用。它可以与病毒RNA形成核糖核蛋白（Ribonucleoprotein，RNP）复合物，以保护病毒基因组，参与病毒粒子的组装【1，2】。同时，N蛋白还可以调节病毒的复制、转录、与膜蛋白的相互作用，一些研究也发现，N蛋白还与宿主蛋白相互作用，来诱导宿主的免疫反应或调控被感染细胞的细胞周期。

N蛋白由N端结构域（NTD），C端结构域（CTD）以及三个内源的无序区（IDRs）所组成，N端主要发挥与RNA结合的功能，C端的功能主要是多聚化【3，4】。鉴于N蛋白的重要性，NTD和CTD可能成为药物开发的关新型靶点，而且帮助人们加深对RNP形成过程的理解，因此相关研究十分必要。

2022年10月27日，北京协和医院张抒扬课题组联合清华大学生命学院薛毅课题组以及中国科学院上海药物研究所徐华强课题组，在 Science Bulletin 期刊上发表题为Antiviral drugs design based on structural insights into the N-terminal domain and C-terminal domain of the SARS-CoV-2 nucleocapsid protein 的研究论文。

研究团队分别解析了SARS-CoV-2 N蛋白的NTD和CTD的晶体结构，同时首次解析了NTD与RNA复合物（NTD-RNA）的晶体结构（图1 左，右上）。

整体上，NTD的晶体结构表现为独特的四聚体结构，NTD-RNA复合物的晶体结构揭示了不同的RNA结合模式，这可能有助于帮助人们加深对RNP的形成过程的认知。同时，研究团队还通过药物筛选，发现第三代抗生素头孢曲松钠（Ceftriaxone Sodium），是一种能够同时与NTD和CTD结合的小分子化合物。

通过进一步的核磁滴定实验发现，得到NTD与头孢曲松钠关键的结合位点，并通过分子对接获得了复合物模型（图1右下），与NTD-RNA复合物的结构相比，发现二者与NTD的结合位点是相似的（图2）。所以，头孢曲松钠通过阻断RNA与NTD的结合，抑制RNP的形成，从而阻断SARS-CoV-2病毒的生活周期。该项工作为研究SARS-CoV-2中RNP形成的分子机制提供了基础，也为靶向N蛋白的抗病毒药物设计的后续研究提供新的见解。

图1：SARS-CoV-2 N-NTD, NTD-RNA复合物和NTD-头孢曲松钠复合物的结构

图2：NTD-RNA复合物和NTD-头孢曲松钠复合物的结构叠加比较 

清华大学博士生栾晓东、黎欣明（已毕业）、李宇凡和苏庚辰为共同第一作者，北京协和医院张抒扬教授、清华生命科学学院薛毅以及中科院上海药物所徐华强研究员为共同通讯作者。研究得到了北京市自然科学基金、中国医学科学院创新工程、清华-北大生命联合中心等项目和单位的经费支持。 

参考文献： [1]Yao H, Song Y, Chen Y, et al. Molecular architecture of the sars-cov-2 virus. Cell 2020;183:730-738 e713. [2] Klein S, Cortese M, Winter SL, et al. SARS-CoV-2 structure and replication characterized by in situ cryo-electron tomography. Nat Commun 2020;11:5885. [3] Chang CK, Hou MH, Chang CF, et al. The SARS coronavirus nucleocapsid protein – Forms and functions. Antiviral Research 2014;103:39-50. [4] Peng TY, Lee KR, Tarn WY. Phosphorylation of the arginine/serine dipeptide-rich motif of the severe acute respiratory syndrome coronavirus nucleocapsid protein modulates its multimerization, translation inhibitory activity and cellular localization. FEBS J 2008;275:4152-63.