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核酸聚合酶是實現核酸生物合成的關鍵蛋白質機器，在復制、轉錄、逆轉錄等重要過程中發(fā)揮核心作用。聚合酶啟動核酸合成的過程也稱為“引發(fā)”（initiation），可通過兩種基本模式來實現：第一種稱為“依賴引物”（primer-dependent），需要利用核酸或蛋白作為引物，以DNA復制（DNA replication）過程為代表；另一種則稱為“從頭合成”（denovo synthesis），即由兩個三磷酸核苷（nucleoside triphosphate，NTP）分子反應生成二核苷酸產物來實現引發(fā)，以轉錄（transcription）過程為代表。引發(fā)過程通常具有序列特異性，穩(wěn)定性較低且合成速率較慢，聚合酶需要進一步完成從引發(fā)階段到序列特異性較低的延伸（elongation）階段的轉換，以實現長鏈核酸的穩(wěn)定快速合成。RNA病毒編碼的依賴RNA的RNA聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase，RdRP）是RNA病毒必須且唯一共有的基因，隨著埃博拉病毒、2019新型冠狀病毒等RNA病毒近年來不斷在世界范圍造成影響，RdRP日益成為RNA病毒基礎研究和抗病毒研究的熱點。與其他核酸聚合酶類似，RdRP的引發(fā)模式也分為依賴引物和從頭合成兩種，分別以脊髓灰質炎病毒3Dpol和登革病毒NS5為代表，自1997年首個RdRP三維結構得到解析以來，RdRP的結構與功能研究雖然不斷取得進展，但這兩類RdRP如何實現從引發(fā)到延伸的轉換一直未能得到闡明。
中國科學院武漢病毒研究所龔鵬研究員團隊自2011年起致力于從頭合成型RdRP的引發(fā)-延伸轉換機制研究，通過十余年“前仆后繼”式地探索，于近期成功闡明了登革病毒NS5 RdRP的引發(fā)-延伸轉換機制。該團隊解析了分辨率為2.6-2.9埃的登革病毒NS5 RdRP與模板-產物雙鏈RNA形成的延伸復合物（elongation complex，EC）晶體結構（圖A）（PDB編號為7XD8和7XD9，數據分別收集于上海光源BL19U1和BL17U1線站），發(fā)現在引發(fā)階段發(fā)揮重要作用的“引發(fā)元件”（primingelement，PE，一段位于RdRP拇指結構域的環(huán)狀結構）退出RdRP的活性中心并重新折疊成新的形態(tài)，而經歷變構過程的引發(fā)元件與延伸復合物中的雙鏈RNA又建立了新的相互作用（圖B）。研究團隊通過多種酶學表征方法進一步發(fā)現變構后的引發(fā)元件提升了延伸復合物穩(wěn)定性，從而證實引發(fā)元件可通過變構在RdRP合成的引發(fā)和延伸這兩個重要階段發(fā)揮截然不同的功能（圖C）。由于從頭合成型RdRP的引發(fā)元件具有較高的序列和結構多樣性，研究團隊據此提出不同RdRP的引發(fā)元件變構的細節(jié)可能具有較大差異，但其在引發(fā)和延伸階段發(fā)揮雙重功能的模式可能相同（圖D），即實現“異曲同工”。
這項工作是該團隊在前期解析黃病毒NS5全長三維結構（PLoS Pathogens 2013）和成功組裝黃病毒NS5延伸復合物（PLoS Pathogens 2020）的基礎上在RdRP領域取得的重要突破，也為脊髓灰質炎病毒3Dpol、2019新型冠狀病毒nsp12等依賴引物型RdRP的引發(fā)-延伸轉換機制研究提供了借鑒。相關論文近期在線發(fā)表于Proc Natl Acad Sci U S A（《美國科學院院刊》），此項研究受到國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFA0507200，項目負責人為陳新文研究員）、國家自然科學基金項目（32070185；32000136）、中國科學院青年創(chuàng)新促進會項目等的支持。武漢病毒所青年研究員吳繼芹（實現了延伸復合物組裝，主要完成結構生物學研究）和博士研究生王欣雨（解決了延伸復合物可溶性問題并篩選得到復合物結晶條件，主要完成酶學研究）為論文的共同第一作者，實驗師劉巧潔（參與酶學研究）和博士研究生/助理研究員逯國亮（參與結構生物學研究，現為復旦大學副研究員）為共同作者，龔鵬研究員為論文的通訊作者。
論文及前續(xù)系列論文鏈接為：
https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2211425120
https://journals.plos.org/plospathogens/article/file?id=10.1371/journal.ppat.1008484&type=printable
https://journals.plos.org/plospathogens/article/file?id=10.1371/journal.ppat.1003549&type=printable
圖：從頭合成型病毒RdRP引發(fā)-延伸轉換機制。A）登革病毒NS5 RdRP延伸復合物晶體結構。B）引發(fā)元件變構（從左至右）后與雙鏈RNA建立新的相互作用。C）引發(fā)元件可提升延伸復合物穩(wěn)定性。D）引發(fā)元件變構簡圖（與動圖類比）。
動圖：RdRP引發(fā)元件通過變構實現雙功能與自行車變速器通過形變實現低速-高速模式切換相類似
