清华医学院饶子和院士团队合作破译抗新冠病毒关键药靶三维结构

时间：2020-04-23 16:35:00

近日，由清华大学医学院饶子和院士领导，由清华大学医学院娄智勇教授、闫利明博士和上海科技大学杨海涛教授、王权教授等组成的“清华大学-上海科技大学新冠病毒联合攻关团队”，在新冠病毒抗病毒药物核心靶点主蛋白酶（Mpro）和RNA依赖的RNA聚合酶（RdRp）三维结构研究中取得重要进展，为抗新冠病毒药物研发提供了关键的结构生物学基础。研究成果于4月9日、4月10日，先后在《自然》和《科学》期刊上在线发表。

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情在全球流行，是近一个世纪以来对人类影响最大的传染病之一，对人类健康、经济发展、国际关系、乃至社会组织形态都将产生深远影响。运用科技手段，为打赢疫情防控人民战争、总体战、阻击战，是每位科技工作者的使命所在。习近平总书记高度重视科技创新在疫情防控中的重要作用，指出“生命安全和生物安全领域的重大科技成果也是国之重器”“人类同疾病较量最有力的武器就是科学技术，人类战胜大灾大疫离不开科学发展和技术创新”。疫情发生后，清华大学饶子和院士团队及其合作者，在长期、潜心开展冠状病毒研究的积累上，迅速开展针对新冠病毒复制机制和抗病毒药物的研究，取得了一系列重要进展。

新型冠状病毒在入侵细胞后，病毒编码的多聚蛋白由主蛋白酶Mpro切割成为独立的功能蛋白，随后形成以聚合酶RdRp为核心的转录复制复合体，催化病毒基因组的复制和mRNA的合成。因此，主蛋白酶Mpro和聚合酶RdRp也是抗新冠病毒药物设计的两个核心靶点蛋白。对它们结构、功能、及其与抑制剂作用机制的研究，将为深入理解新冠病毒的生命过程、开发高效抗病毒药物提供关键科学基础。

在新冠病毒疫情出现后，饶子和院士团队迅速响应，利用多年在冠状病毒领域的研究经验，仅用一周时间就解析了主蛋白酶Mpro及其与抑制剂N3复合物的高分辨率晶体结构。为方便相关科技工作者第一时间开发以该酶为靶点的抗病毒药物，团队第一时间公开了研究成果，并在PDB蛋白质结构数据库（Protein Data Bank, PDB）公开了结构坐标。

自今年1月26日起，团队已为国内外300多家高校、研究机构及企业的实验室直接提供了数据，该结构被蛋白质结构数据库选为2020年2月的明星分子（February Molecule of the Month）。数据库还撰文指出，作为第一个被解析的新冠病毒的蛋白结构，主蛋白酶结构数据的及时公开，将有力推进对于新型冠状病毒这一新发人类病原体的研究及药物发现，有助于科研人员及临床医生应对新型冠状病毒的疫情。应《自然》期刊编辑的主动邀请，2月8日该工作投送至《自然》期刊，经快速评审后，于4月9日在线发表。

新冠状病毒非结构蛋白“剪刀”——主蛋白nsp5的结构

聚合酶RdRp是另一核心的抗病毒药物靶点。新冠病毒聚合酶RdRp能够利用引物酶nsp8和辅助因子nsp7两个非结构蛋白组装形成一台高效的RNA合成机器，进行遗传物质的复制和转录。由于聚合酶RdRp是病毒转录复制机器的核心，是病毒得以大量繁衍的关键，因而也是最重要的抗病毒药靶之一。正在进行临床实验的瑞德西韦和法匹拉韦，恰恰就都是靶向RNA聚合酶的抗病毒药物。

饶子和对冠状病毒聚合酶RdRp的研究始于2009年，十余年间从未停止过探究的脚步。依靠几届师生不断接力优化的经验，在新冠状病毒爆发后短短一个多月时间里，解决了样品表达纯化组装和计算的难题，率先在国际上成功解析新型冠状病毒“RdRp-nsp7-nsp8”复制机器2.9 Å的冷冻电镜结构，提出了瑞德西韦等药物的效应分子抑制聚合酶RdRp的可能模式。

上图：新型冠状病毒RdRp-nsp7-nsp8聚合酶复合物2.9 埃分辨率分子结构（Coulomb potential map）。螺旋状分子为类比同类机制聚合酶判断的RNA模版链（灰色）与新生链（红色）的位置和走向；瑞德西韦预期以效应分子（GS-443902）的形式结合于催化反应中心阻断RNA合成（右下插图）；背景为新型冠状病毒冷冻电子显微照片及聚合酶复合物处于不同视角下的分子形态。

该研究首次勾勒出新型冠状病毒复制机器的内部构造，并为瑞德西韦、法匹拉韦等药物如何精确靶向并抑制病毒复制提出了合理解释，这为深入研究新型冠状病毒遗传物质复制转录的分子机理奠定了重要基础，并为开发抗新冠肺炎的特效药开辟了新途径。同样，团队在第一时间公开了研究成果，帮助全球抗病毒药物研究领域迅速开展工作。同时，应《科学》期刊编辑的邀请，团队于3月16日将该工作投送至《科学》期刊，于4月10日在线发表。

这些成果的迅速获得，得益于饶子和院士团队长期、潜心开展冠状病毒研究的深厚积累。在2003年“非典”爆发期间，团队组率先解析出SARS冠状病毒的第一个蛋白质结构-主蛋白酶（nsp5）及其与抑制剂复合物的晶体结构，随后该组又解析出的10多个主蛋白酶与抑制剂的复合物结构，为SARS冠状病毒药物的研制奠定了关键的生物学基础，其中有关主蛋白酶（nsp5）的研究论文的单篇引用达347次，抗病毒药物方面的研究成果获得国家发明专利4项。为进一步探索冠状病毒引物酶工作机制，还相继解析了SARS冠状病毒nsp7-8复合物、复制校正复合物nsp14-nsp10、解旋酶nsp13等一系列冠状病毒转录复制核心蛋白的三维结构，为深入理解冠状病毒生命周期的分子机制、研发抗冠状病毒药物提供了关键的科学基础。

需要指出的是，这些研究成果为发展抗病毒药物提供了关键结构生物学基础，但是要得到可以实际使用的药物，还需要化学、药学、临床医学等多领域的科学家共同努力。

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