Nature Communications | 浙大周如鸿团队发文阐明新冠病毒RNA顺式作用元件SL3与人体关键蛋白作用机理

全球蔓延的新冠病毒（SARS-CoV-2）疫情导致超8亿人感染和近700万患者死亡，造成人类生命健康的巨大威胁，深刻改变了世界的政治、经济和公共卫生格局。新冠病毒是一种单股正链RNA病毒，病毒RNA基因组本身既编码了遗传信息，也是病毒基因组复制的调控中心。它需要劫持宿主蛋白质（如RNA结合蛋白RBP）来执行其在转录和复制过程所需要的特定功能。先前研究已证明多个 RBP参与病毒侵染过程，包括影响病毒正链RNA的募集，参与调控病毒从翻译到复制的转换过程，控制病毒 RNA 的合成与稳定性等。总之，深入了解病毒 RNA与宿主RBP之间的相互作用将为了解RNA病毒生命周期提供新的见解，并有助于后续新型抗病毒药物的开发。

2023年6月22日，浙江大学生命科学学院周如鸿教授、张冬研究员、王智烨研究员联合中国医学科学院北京协和医学院王健伟教授团队在Nature Communications上发表题为“Mutagenesis and structural studies reveal the basis for the specific binding of SARS-CoV-2 SL3 RNA element with human TIA1 protein”的研究论文。该论文通过计算生物学、RNA生物化学和细胞病毒侵染实验等多种手段，首次详细研究了SARS-CoV-2病毒RNA基因组5’-UTR中的保守顺式作用元件SL3与人体TIA1蛋白之间的结合相互作用，并阐明其分子作用机理。这一研究为探索病毒RNA与宿主蛋白相互作用开辟了一条新途径，并为RNA靶向的新型抗病毒药物设计提供了先验性的结构基础。

首先，浙江大学生命科学学院周如鸿教授团队结合RNA结构预测与凝胶电泳迁移率变动分析（EMSA）证实了SARS-CoV-2病毒RNA基因组中的SL3元件与人体TIA1蛋白的结合具有高亲和性（Kd = 0.78 ± 0.09 µM）。通过分子建模和分子动力学模拟，作者团队构建了SL3与TIA1结合复合物的三维结构（图1），发现除了带正电的氨基酸残基和带负电的RNA主链之间的静电相互作用外，芳香环堆积、氢键和疏水相互作用共同指导 SL3 与 TIA1 蛋白的特异性结合。

图1：SL3 RNA元件与TIA1蛋白的三维结合模型

此外，周如鸿团队通过设计各种环长度截短或序列改变的SL3变体并结合后续的EMSA实验，发现SL3中的7-nt发夹环和5-nt 3’-末端环对结合是必不可少的。如图2所示，发夹环和3’-末端环的长度截短或序列改变都会明显影响其与TIA1的结合亲和力。随后北京协和医学院王健伟教授团队利用P3实验室的病毒感染细胞实验表明，通过设计特定的反义寡核苷酸（ASO）来干扰SL3和TIA1的相互作用会显著降低Huh7.5.1细胞中SARS-CoV-2 RNA的复制量。

图2：设计的各种SL3变体与人体TIA1蛋白的结合能力

最后，鉴于5’-UTR中顺式作用元件在β冠状病毒RNA基因组中的序列保守性，作者发现人体 TIA1 蛋白也能与MERS和 SARS等冠状病毒中的SL3元件相互作用，并具有相当的结合亲和力。

图3：β冠状病毒RNA基因组中SL3元件的序列比对及其与人体TIA1蛋白的结合能力

该研究结合计算模拟与实验手段，详细阐明了SARS-CoV-2病毒RNA顺式作用元件SL3与人体TIA1蛋白相互作用的分子机理，以期为了解病毒感染过程中的复制机制提供新的见解，并为后续新型RNA靶向的抗病毒药物设计奠定基础。