PNAS:中科院武汉病毒所龚鹏研究组揭示首个病毒RdRP转位中间体晶
近日，国际著名学术期刊《美国国家科学院院刊》杂志在线发表了中国科学院武汉病毒研究所龚鹏研究组的一篇研究论文，研究团队以手足口病的主要病原体肠道病毒71型(enterovirus 71或EV71)的RdRP为研究对象，通过获取多种类型的RdRP复合物晶体并系统性地尝试在晶体中实现单次和多次核苷酸添加，于近期报道了包括首个转位中间体在内的七个RdRP复合物晶体结构，分辨率为2.5-2.9埃。博士生舒波为论文的第一作者，龚鹏研究员为论文通讯作者。
核酸聚合酶是核酸生物合成的分子机器，是实现核酸遗传信息复制和传递的关键蛋白。在模板序列的指导下，聚合酶以NTP或dNTP为底物将单磷酸核苷(NMP)逐个添加到产物链上。每一次添加过程又称核苷酸添加循环(nucleotide addition cycle或NAC)，由底物结合并诱导活性中心关闭、磷酰基转移反应以及聚合酶向模板下游转位三个主要步骤构成，其分子机制是聚合酶领域的核心研究内容。
RNA病毒对人类健康构成严重威胁，超过三分之二的传染性疾病由RNA病毒引起，这类病毒的基因组复制和基因转录由依赖RNA的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase 或 RdRP)执行。前期研究表明，RdRP与dna聚合酶、依赖DNA的RNA聚合酶、反转录酶等其他主要类型的聚合酶相比，在活性中心关闭和转位这两个关键步骤上具有鲜明的独特性，解析其精确机制将对相关抗病毒研究提供重要依据。
龚鹏研究组在前期工作中通过解析脊髓灰质炎病毒(poliovirus或PV)RdRP-RNA-NTP复合物系列晶体结构揭示了RdRP活性中心关闭的独特模式，同时提出了RdRP转位中间体假设(Gong and Peersen, 2010)。此次报道的转位中间体结构显示，RdRP模板和产物双链在转位中采取了不对称的运动模式，产物链的转位显著领先于模板链，为进一步剖析转位机制提供了关键信息。此项研究很快在Faculty of 1000上获得著名聚合酶专家Katsuhiko Murakami教授“Exceptional”级别的推荐，并指出：“结构所展示的核酸双链不对称运动从未被观测到，甚至从未被考虑到;因此这项研究非常具备对核酸聚合酶领域产生高度影响的潜力。”
图：病毒RdRP转位中间体结构。浅蓝色链和绿色链分别为模板和产物RNA的骨架在转位前的参考状态，橙色双链为转位中的状态。通过比较两种状态中以球形显示的骨架磷原子的相对位置，可清晰看到产物链向上游(图中左侧)移动的幅度大幅领先于模板链。(图片由逯国亮、舒波和龚鹏共同提供)
原文链接：
Structural basis of viral RNA-dependent RNA polymerase catalysis and translocation
原文摘要：
Viral RNA-dependent RNA polymerases (RdRPs) play essential roles in viral genome replication and transcription. We previously reported several structural states of the poliovirus RdRP nucleotide addition cycle (NAC) that revealed a unique palm domain-based active site closure mechanism and proposed a six-state NAC model including a hypothetical state representing translocation intermediates. Using the RdRP from another human enterovirus, enterovirus 71, here we report seven RdRP elongation complex structures derived from a crystal lattice that allows three NAC events. These structures suggested a key order of events in initial NTP binding and NTP-induced active site closure and revealed a bona fide translocation intermediate featuring asymmetric movement of the template–product duplex. Our work provides essential missing links in understanding NTP recognition and translocation mechanisms in viral RdRPs and emphasizes the uniqueness of the viral RdRPs compared with other processive polymerases.
作者：龚鹏
