清華大學最新Cell論文：婁智勇/饒子和團隊發現冠狀病毒復制模板循環與RNA加帽的協同機制

編輯丨王多魚

排版丨水成文

RNA 病毒是一種極其簡單但高效的生命形式。在生命周期中，RNA 病毒利用有限的基因組，編碼幾個到十幾個蛋白質，即可完成高效擴增，這要求病毒基因組必須能夠高效的循環使用。同時，轉錄形成的新生 RNA 5' 端帶有三磷酸基團，一旦釋放到宿主細胞中，會迅速激活宿主細胞的先天免疫反應，因此必須立即對其 5' 端的三磷酸基團進行加工，形成 “帽”（Cap）結構，從而逃逸宿主天然免疫的攻擊。

雖然基因組的高效重復使用、RNA 加帽是 RNA 病毒生命過程中最核心、最基礎的生物學事件，但自 1 00 多年前發現第一種 RNA 病毒至今，這兩個過程協同發生的機制一直是病毒學領域的關鍵未解之謎。

2025 年 10 月 22 日 ，清華大學婁智勇教授 /饒子和院士、 中國醫學科學院 北京協和醫院朱蘭教授 團隊 與廣州國家實驗室、南開大學等單位合作，在國際頂尖學術期刊Cell上發表了題為：Structural basis for the concurrence of template recycling and RNA capping in SARS-CoV-2 的研究論文。

該研究揭示了冠狀病毒轉錄復制過程中 RNA 模板循環和 RNA 加帽的共發生機制，重構了病毒領域對 RNA 病毒轉錄復制過程的認知體系，結束了對冠狀病毒解旋酶極性、加帽機制等問題長達 2 5 年的爭論。

這是該團隊在冠狀病毒轉錄復制機制的研究中，自2020以來在Science、Cell等期刊上連續發表 10 項成果后的又一重要工作。

圍繞冠狀病毒轉錄復制過程，該團隊 在過去 5 年里， 先后闡明了 “核心轉錄復制復合體”（C-RTC）、“延伸復合體”（E-RTC） 、“加帽中間態復合體” 和“Cap0 加帽 復合體 ” 的工作機制 。

在這些工作的基礎上，該團隊設計了多種全新核酸骨架，成功捕捉到轉錄復制復合體“加帽起始前狀態”（Pre-Capping Initiation，Pre-CI）和“加帽起始后狀態”（Post-Capping Initiation，Post-CI）兩個超級復合體，闡明了 RNA 模板循環和 RNA 加帽起始過程協同發生的分子機制（圖1）。

圖1 . 冠狀病毒“模板循環”和“RNA加帽起始”共發生機制的模型

在該工作中，研究團隊首先設計合成了具有 3 9 bp 配對雙鏈的RNA骨架，利用高活性的新冠病毒解旋酶和其他轉錄復制酶，共同組裝成“加帽起始前狀態”復合體（圖2）。該復合體包含四個延伸復合體（E-RTC），其中兩個延伸復合體形成“背靠背”二聚體形態，再由兩個二體以“頭對頭”的模式形成四聚體形態的超級復合體。在超級復合體中，由聚合酶 nsp 12 催化位點延伸出來的“模板-產物”雙鏈 RNA，被處于“頭對頭”位置的延伸復合體中的解旋酶解開為單鏈，并進一步將模板 RNA 傳遞至“頭對頭”位置的延伸復合體中的聚合酶催化反應中心，從而實現了模板 RNA 的循環再利用。

圖2 . （a）組裝加帽起始前狀態復合體所使用的RNA骨架。（b）加帽起始前狀態復合體的四聚體全貌。（c）加帽起始前狀態復合體中“模板-產物”雙鏈RNA的解旋。

在“加帽起始前狀態”復合體中，另一關鍵性發現是團隊首次確定了冠狀病毒解旋酶 3'-5' 的解旋極性 ，明確了解旋的關鍵結構單元，展現了由 ATP 水解驅動的雙鏈 RNA 解旋動態過程（圖3）。在冠狀病毒研究領域，自從 2 000 年第一次確定其解旋酶以來，一直認為其解旋極性是5' -3' ，但由于和許多認知相沖突，一直備受爭議。這項工作利用結構生物學手段，直觀、明確的表明冠狀病毒解旋酶的解旋方向，終結了對這一問題的爭論。

圖3 . 左圖，新冠病毒解旋酶的關鍵結構單元。右圖，ATP水解驅動的雙鏈RNA解旋模式圖。

隨后，研究團隊設計合成了具有非配對雙鏈的 RNA 骨架，通過在體系中加入 nsp 9 蛋白，捕捉到“加帽起始后狀態”的復合體（圖4）。加入 nsp 9 蛋白后，復合體由加帽起始前狀態的四聚體形態，轉變為加帽起始后狀態下的二聚體形態。最關鍵的一點是，RNA 產物鏈 5' 端三磷酸集團，和 nsp 9 蛋白 N 端氨基酸共定位于聚合酶 NiRAN 結構域的催化位點。

在以往的研究中，一般認為冠狀病毒的加帽過程由 nsp 13 、nsp 12 NiRAN 結構域、nsp 14 、nsp 16 四個酶分子先后催化完成。2 022 年，研究團隊發現了由 nsp 9 RNAylation 介導的 RNA 加帽的全新機制，在該機制中，nsp 12 NiRAN 結構域可以不依賴 nsp 13 ，獨立起始 RNA 加帽過程，但這兩種加帽機制到底哪種更接近真實生命過程還存在爭論。

而這項最新成果明確表明，新生 RNA 產物鏈 5' 端不會釋放到溶液中、并由 nsp 13 進行初步加工，而是直接進入 nsp 12 NiRAN 結構域，通過 nsp9 RNAylaion 介導的方式起始 RNA 加帽過程，更新了對冠狀病毒加帽過程的認知。也再一次以無可辯駁的結構生物學證據證明了團隊此前發現的 NiRAN 催化、以 GTP 為底物的 RNA 加帽機制，終結了圍繞 NiRAN 加帽機制的爭論。

圖4 . （a）組裝加帽起始后狀態復合體所使用的RNA骨架。（b）加帽起始后狀態復合體全貌。（c）加帽起始后狀態復合體中RNA產物鏈5’三磷酸集團與nsp9 蛋白共同定位于NiRAN結構域催化中心。

該成果重構了對病毒轉錄復制過程的認識體系，結束了對冠狀病毒解旋酶極性、加帽機制等問題長達 2 5 年的爭論。該成果 的獲得得益于研究團隊在冠狀病毒轉錄復制領域中 2 0 余年的長期積累。

自 2020 年以來，研究團隊系統研究了新冠病毒轉錄復制過程，闡明了 轉錄復制復合體多個狀態 三維結構，為認識病毒的生命過程、發展高效抗病毒藥物提供了關鍵信息，還對新冠病毒對女性生殖道感染，以及新冠病毒滅活疫苗接種對母胎影響方面進行了深入研究，先后在Science、Cell等期刊發表系列研究論文 ，是國際上新冠病毒轉錄復制研究中最為系統、引用最多的工作之一，成果入選 “中國科學十大進展”、“中國生命科學領域十大進展”、“中國 2021 年度醫學重要進展”、“中華醫學科技獎”等。

清華大學婁智勇教授 、饒子和院士和中國醫學科學院北京協和醫院朱蘭教授為論文共同通訊作者，清華大學閆利明博士 、南開大學黃羽岑博士、南京醫科大學葛基博士，清華大學劉奕瀟、高山、譚麗萍、劉璐為論文共同第一作者，該研究得到了南開大學、上海科技大學和清華大學冷凍電鏡平臺的支持。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)01090-6