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RNA病毒是一類(lèi)以RNA為遺傳物質(zhì)的病毒。許多RNA病毒可以感染人類(lèi)并引起疾病，比如冠狀病毒（如新冠病毒，SARS-CoV-2）、黃病毒屬（如寨卡病毒，ZIKV；登革熱病毒，DENV）、絲狀病毒（如埃博拉病毒，EBOV）以及流感病毒（Influenza virus）等。由RNA病毒引起的疾病比如目前全球范圍內流行的COVID-19疫情等，嚴重威脅人類(lèi)的生命和健康，阻礙了人們的正常生活和社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展。解析病毒-宿主的相互作用機制，對于理解病毒的感染、致病機制，以及研發(fā)抗病毒藥物都具有重要的意義，也是病毒學(xué)領(lǐng)域一直關(guān)注的重要基礎科學(xué)問(wèn)題。病毒感染宿主細胞，完成自身復制以及逃逸宿主免疫都極大地依賴(lài)于宿主因子，比如病毒RNA的轉錄、翻譯和復制過(guò)程都受宿主因子的影響。限于實(shí)驗技術(shù)的發(fā)展，之前的研究主要關(guān)注病毒蛋白與宿主蛋白之間的相互作用，而較少關(guān)注病毒RNA與宿主蛋白間互作的分子機制。
在之前的研究中，清華大學(xué)張強鋒課題組、丁強課題組與中國醫學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所王健偉課題組合作，鑒定了SARS-CoV-2基因組RNA的二級結構，并基于RNA結構，預測了潛在的能與病毒RNA結合的宿主蛋白質(zhì)，并篩選了靶向這些宿主蛋白質(zhì)的抗病毒藥物。11月4日，研究團隊合作在《細胞研究》（Cell Research）期刊發(fā)表了題為“基于多病毒RNA-宿主蛋白質(zhì)互作組比較分析指導抗新冠肺炎的快速新藥發(fā)現”(Comparison of viral RNA–host protein interactomes across pathogenic RNA viruses informs rapid antiviral drug discovery for SARS-CoV-2)的研究文章。該研究采用高通量的ChIRP-MS技術(shù)，系統解析了不同RNA病毒，包括新冠病毒（SARS-CoV-2）、寨卡病毒（ZIKV）以及埃博拉病毒（EBOV）在侵染狀態(tài)下病毒基因組RNA與宿主蛋白的互作網(wǎng)絡(luò )。值得注意的是，不同于其他類(lèi)似研究，該研究除了采用非感染的細胞作為對照，還引入了一類(lèi)新型的實(shí)驗對照——“segment transfection”，指將完整的基因組RNA片段化，并轉染進(jìn)細胞內。雖然這些RNA片段與病毒基因組的序列一致，但并不具備完整的基因組結構，也不能正常復制，可排除與病毒RNA非特異性結合的蛋白質(zhì)，從而更為精確地鑒定可能直接參與病毒復制過(guò)程的宿主蛋白。
基于病毒基因組RNA-宿主蛋白互作網(wǎng)絡(luò )，研究人員通過(guò)比較分析鑒定了一系列參與不同病毒感染的宿主蛋白質(zhì)復合物（圖1），比如細胞內的翻譯機器（ribosome）、宿主剪切體蛋白（spliceosome）、與RNA穩定性相關(guān)的IGF2BP1-蛋白質(zhì)復合物（IGF2BP1-associated complex）、小分子核糖核酸（microRNA）代謝相關(guān)復合物（Drosha-DGCR8 complexes），以及應激小體（stress-granule）相關(guān)的蛋白質(zhì)。除此外，可視化病毒RNA-宿主蛋白互作組，能夠直觀(guān)地發(fā)現一些病毒種類(lèi)特異性的蛋白質(zhì)復合物：比如SARS-CoV-2的RNA-宿主蛋白互作組特異性富集了一些三羧酸循環(huán)（TCA-cycle）以及2-氧代羧酸（2-Oxocarboxylic acid）代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)，而之前的研究也發(fā)現這兩個(gè)代謝通路會(huì )因SARS-CoV-2的侵染而受到擾動(dòng)。為了鑒定宿主因子在病毒感染過(guò)程中的功能，研究人員通過(guò)功能基因組手段，敲低了病毒RNA互作的多個(gè)宿主基因，并結合病毒感染實(shí)驗鑒定了一系列促病毒或者抗病毒的宿主因子，在分子水平上極大促進(jìn)了人們對病毒感染細胞的認識。比如，他們深入解析IGF2BP1與病毒RNA的互作機制，鑒定了IGF2BP1在病毒RNA上的結合位點(diǎn)，并發(fā)現IGF2BP1通過(guò)結合SARS-CoV-2以及ZIKVRNA的非編碼區（UTR），從而穩定病毒RNA并促進(jìn)病毒蛋白的翻譯。
圖1. SARS-CoV-2、ZIKV和EBOVRNA與宿主蛋白互作組的比較分析?；プ骶W(wǎng)路中心的節點(diǎn)分別代表新冠肺炎病毒（橙色）、寨卡病毒（藍色）和埃博拉病毒（綠色）RNA。橙色連接線(xiàn)表示病毒RNA-宿主蛋白質(zhì)的互作。藍色連線(xiàn)代表宿主蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)間的互作。蛋白復合物或參與相同生物學(xué)通路的蛋白質(zhì)用虛線(xiàn)框指示。節點(diǎn)的顏色由深到淺根據MiST分數標注。潛在的具有靶向藥物的宿主蛋白質(zhì)采用紅色圓標注。
最后，利用病毒RNA-宿主蛋白質(zhì)互作組數據，研究人員建立了一套從RNA互作網(wǎng)絡(luò )出發(fā)，通過(guò)篩選靶向病毒RNA互作蛋白的臨床藥物，從而快速鑒定新型抗病毒藥物的方法。利用這一方法，研究人員鑒定了一系列靶向SARS-CoV-2RNA結合蛋白的藥物，這些藥物具有廣譜抗病毒活性。在hACE2轉基因小鼠模型中，研究者發(fā)現千金藤堿（Cepharanthine）和環(huán)孢菌素A（Cyclosporin A,CsA）可以有效抑制SARS-CoV-2在小鼠肺部的感染，并能減輕因感染引起的肺部炎癥病變。三種靶向宿主蛋白質(zhì)的藥物千金藤堿、環(huán)孢菌素A和三氟吡啦嗪（Trifluoperazine），針對新冠病毒β突變株（B.1.351,一種引發(fā)世界范圍關(guān)注的SARS-CoV-2變種），依然表現出高效的抗病毒活性。除此之外，與單獨用藥相比，組合用藥能更為有效地抑制病毒感染細胞：與溶劑組相比，千金藤堿和三氟吡啦嗪組合用藥使病毒侵染率降低至萬(wàn)分之一。以上研究表明，靶向宿主蛋白的抗病毒藥物可以有效地應對當前疫情中不斷出現的病毒變種。
總之，該研究不僅繪制了不同病毒RNA-宿主蛋白質(zhì)的互作組，更為重要的是研究人員通過(guò)整合這些數據，并比較不同病毒的互作組，系統地揭示了病毒在感染過(guò)程中與宿主的互作模式，為病毒學(xué)和抗病毒研究提供了重要的研究資源，并對抗病毒藥物的研發(fā)提供了新的視角。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、結構生物學(xué)高精尖創(chuàng )新中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心張強鋒副教授，中國醫學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所王健偉教授以及清華大學(xué)醫學(xué)院丁強助理教授為論文共同通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院博士后張少軍、博士生黃文澤、中國醫學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所任麗麗研究員、清華大學(xué)醫學(xué)院博士后鞠曉輝、博士生龔明麗以及中國醫學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所博士后饒健為本文共同第一作者。該研究得到清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心的大力支持，同時(shí)還得到國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、清華大學(xué)春風(fēng)基金、清華-劍橋聯(lián)合研究計劃，以及北京結構生物學(xué)高精尖創(chuàng )新中心和清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
