日前，科学技术部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）正式发布2021年度中国科学十大进展。清华大学教授娄智勇，清华大学教授、上海科技大学免疫化学研究所特聘教授、中国科学院院士饶子和，免疫化学研究所副研究员高岩团队联合攻关取得的研究成果“揭示SARS-CoV-2逃逸抗病毒药物机制”成功入选。
2021年度中国科学十大进展
“中国科学十大进展”遴选活动由科学技术部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）牵头举办，至今已成功举办17届。本次评选中，饶子和院士团队“揭示SARS-CoV-2逃逸抗病毒药物机制”是唯一入选的医疗健康领域的科研成果。
自2019年底新冠疫情出现以来，全球大量生物技术公司投身新冠疫苗、治疗药物的研发。目前全球领域已经有9款新冠疫苗在上市，另外有超过100个候选疫苗药物和超过150个在研的疫苗产品。
然而不断出现的新冠病毒突变株对当前已有的疫苗、中和抗体等抗病毒手段提出严峻挑战，亟需发展能有效应对各型突变株的广谱药物。
目前针对新冠病毒的抗病毒药物研究，主要针对的是病毒转录复制过程的关键靶点蛋白，如蛋白酶和聚合酶等。其中病毒RNA转录过程是研究关键。
新冠病毒是目前已知RNA病毒中基因组最大的一种病毒，其基因组编码了一系列非结构蛋白。这些蛋白按照一定的空间和时间顺序，形成复杂的超分子蛋白质机器“转录复制复合体”（RTC），包含了聚合酶、引物酶、解旋酶、甲基转移酶、核酸酶以及多种辅因子蛋白，负责病毒转录复制的核心过程，涵盖了众多抗病毒药物设计的关键靶点。
由于基因组极大，同时聚合酶复制保守性较差，新冠病毒进化出一种独特的“复制矫正”（proofreading）机制：一旦发现聚合酶合成了错误配对的碱基，变立刻通过外切核酸酶（ExoN）nsp14将错误碱基处理掉，保证复制的准确进行。
此外，这种外切核酸酶还是一种独特的双功能蛋白，除负责复制矫正的外切核酸酶外，还负责mRNA加帽过程关键的第三步催化反应。
复制矫正和加帽过程的进行，以及两个截然不同的生化过程中外切核酸酶如何作用，这是20多年来冠状病毒研究中最关键的“未解之谜”之一。
在新冠疫情爆发后，清华大学饶子和院士、娄智勇教授团队针对新冠病毒转录复制机制开展的深入研究，他们发现并重构了“加帽中间态复合体”、“mRNA加帽复合体”和““延伸转录复制复合体”，阐明了其工作机制。
新冠病毒“反式回溯”的复制矫正机制
在此基础上，团队又在世界上第一次成功组装成含有形式复制矫正功能的nsp14蛋白的超分子机器Cap(0)-RTC。通过对其结构的分析，发现该病毒的“回溯”机制。
在该复合体中，nsp9蛋白发挥了“适配器”（adaptor）的作用，通过与nsp14蛋白相互作用，将nsp10/nsp14复合体招募到Cap(-1)’-RTC中，从而利用nsp14的N7甲基化酶结构域完成mRNA加帽过程的第三步关键反应。尤为重要的是，研究团队发现Cap(0)-RTC在溶液状态下会形成稳定的同源二聚体。在二聚体中，解旋酶nsp13通过其1B结构域的重大构象变化，引导模板核酸链反向移动，引发产物链回溯（backtracking）机制，从而将产物链3’末端传输至另一Cap(0)-RTC的nsp14外切核酸酶结构域的反应中心，完成错配碱基的矫正过程。
这一发现所提出的反式回溯（in trans backtracking）的复制矫正机制，与真核/原核细胞RNA聚合酶Pol II的复制矫正机制具有一定的类似性，表明作为基因组最复杂的RNA病毒。
复制矫正的回溯机制，是从低等到高等生物细胞保证基因复制准确性的重要机制，是在以往的病毒研究中没有发现的。新冠病毒的转录复制过程已与高等生物具有一定的类似性。
同时，复制矫正机制是新冠病毒逃逸核苷类抗病毒药物（如瑞德西韦）的关键机制，一旦核苷类药物被加入RNA产物链中，即会被病毒的复制矫正过程去除，从而丧失抑制活性，目前仅有NHC及其衍生物可以逃逸该过程。该成果也将对未来进一步优化和发展新型核苷类抗病毒药物提供关键的结构基础。
研究团队还在世界上首先成功组装成第二步向第三步过渡过程的转录复制复合体的关键状态，将其命名为cap(-1)’-RTC，解析其2.8埃的冷冻电镜结构。该复合体由E-RTC和单链结合蛋白nsp9共同组成，nsp9通过其N端氨基酸与聚合酶nsp12上的核苷转移酶（NiRAN）结构域结合，引导帽合成过程由第二步向第三步的过渡。
随后，团队进一步证实了聚合酶nsp12的NiRAN结构域负责催化帽结构合成的第二步酶学反应。这一成果回答了冠状病毒研究中近20年来悬而未决的问题，首次彻底明确了mRNA合成过程中全部的关键酶分子，为抗病毒药物研发提供了新的靶点。
对SARS-CoV-2逃逸抗病毒药物机制的揭示不仅阐明了瑞德西韦等药物效果不良的分子机制，更是为优化针对聚合酶的抗病毒药物提供了关键科学依据。
基于这些成果，团队在2020到2021年间后在“Nature”、“Science”、“Cell”和“Nature Communications”上发表5篇论文。据悉，该研究也是国际上抗新冠药物靶点研究中最为系统、被引用最多的工作之一。
参考资料：
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