在清华大学生命科学馆204实验室，电脑屏幕里正在演示一段新冠病毒聚合酶和药物分子结合的动画。大家屏息观看，连接键的角度慢慢发生了扭转，病毒聚合酶活性口袋被“封锁”，没错，就是它！这或许是发展抗新冠病毒抑制剂的一个新思路！

近日，由清华大学医学院饶子和教授、娄智勇教授带领的结构生物学实验室研究团队集智攻关，凭借“探索未知、勇攀高峰”的科研精神，沉淀20年专业领域辛苦耕耘，找到了新冠病毒RNA“安全帽”的新戴法。

并相应提出相关药物研发新思路，为认识抗新冠药物作用的新靶点、新机制，又前进了坚实的一步。

帽结构是新冠病毒mRNA(信使核糖核酸)在宿主细胞内发挥功能所必需的重要结构，在新合成的mRNA的末端加上帽结构的过程被称为“加帽”。团队首次发现，新冠病毒能够利用其转录复制复合体中的单链核酸结合蛋白nsp9作为媒介，介导全新的加帽过程。以此为突破口，团队观察到，核苷类抗病毒药物分子可以与nsp9结合更紧密，从而干涉加帽过程，并由此发展新型抗病毒药物。

以上成果的提出具有两方面重要意义：在生物学领域，它不仅是对病毒生命过程理解的重要更新，也是第一次发现以蛋白质为媒介来介导的RNA加帽过程，拓展了生命科学中对核酸加工的认识边界。在医药实用领域，研究团队还阐明了核苷类抗病毒药物抑制“加帽”过程的分子机制，在此基础上，提出了全新的“induce-and-lock”（诱导-封闭）的抑制剂设计思路。

揭秘新冠病毒RNA加帽新机制

自狭窄的走廊向前行，路过一排排摆放整齐的玻璃器皿，科研仪器在有序运转着，一群人正在微光下埋头钻研——这里就是清华大学结构生物学实验室研究团队所在的实验室。

团队在冠状病毒转录复制领域长期积累19载，2020年新冠疫情暴发以来，更为认识病毒的生命过程、研发抗病毒药物提供了关键信息。相关成果作为国际上新冠病毒转录复制研究中最为系统、被引用最多的研究成果之一，先后被评为“2021年度中国科学十大进展”“2021年度中国生命科学领域十大进展”“中国2021年度医学重要进展”等。

清华结构生物学实验室研究团队合影

此次发现的RNA加帽新途径，是该团队又一项重要的系统性工作。

RNA（核糖核酸）是存在于生物细胞，也存在于部分病毒、类病毒中的遗传信息载体。新冠病毒可以利用mRNA所携带遗传信息，指导病毒蛋白质的合成，让病毒在宿主细胞中增殖，进而引发宿主疾病。

在高等生物细胞中，病毒的mRNA在参与转录复制过程中，需要“安全帽”——帽结构的保驾护航。

帽（Cap）结构

帽结构对宿主细胞和病毒生存都非常重要，它本身的作用是可以维持mRNA的稳定性，防止核酸酶对mRNA的破坏，还可通过帽结合蛋白（cap binding protein）参与mRNA与核糖体的识别，调控蛋白质翻译的顺利进行。但如果是对于必须在宿主细胞中表现生命活性的病毒而言，“安全帽”却恰好起到相反作用。在其生命活动中，通过宿主或病毒自身编码的蛋白质，对病毒mRNA进行加帽。由于其结构与细胞中的帽结构完全相同，除了能保证病毒蛋白质的顺利翻译，还可以使宿主将病毒mRNA“误认为”是宿主核酸分子，从而逃逸宿主天然免疫的攻击。

因此，团队要从搞清楚冠状病毒核酸的加帽反应过程入手，做到从内部攻克，进而获得应对之道。

目前已知的RNA病毒中基因组最大的一种病毒就是冠状病毒。在病毒学传统认知中，冠状病毒核酸的“加帽”通过四步反应过程完成。在此基础上，研究团队发现，新冠病毒能够利用其转录复制复合体中的单链核酸结合蛋白nsp9作为媒介，介导全新的加帽过程。

新冠病毒RNA加帽传统机制（左）和本次发现的新机制（右）

“请药物入瓮” 开启抗新冠药物设计新视角

我们是否可以对症下药，破解棋局？

经过多次实验，研究团队发现了一项抑制加帽反应的可能的“利器”，这就是“induce-and-lock”（诱导-封闭）机制的提出。团队通过研究发现，治疗慢性丙肝的药品索非布韦（sofosbuvir）等核苷类抗病毒药物，能够通过类似的机制共价连接到nsp9蛋白，进而阻止了加帽反应过程。

这是一个“请药物入瓮”的过程。“就像打开一个口袋，抑制剂分子嵌合在袋口，再收紧，就可以更好阻碍功能底物与病毒蛋白质的结合途径。”当索非布韦连接到nsp9蛋白后，药物分子结合在一个称之为“Nuc口袋”的位点，诱导NiRAN结构的“S-loop”发生剧烈的构象改变，使得分子结合更紧密，封闭“G口袋”中GTP分子进出的路径。

这可谓是发现了和新冠病毒对战的“新打法”。

与病毒的特有靶点巧妙结合，再通过构象改变让抑制剂分子紧紧“捆绑”住病毒蛋白质，让它不再发挥功能——这不但为认识核苷类抗病毒药物的作用机制提供了全新视角，还为我们展示了一种“induce-and-lock”的全新的药物设计机制，为有效克服传统耐药性的问题，进一步发展高亲和力、全新的抗病毒药物提供了一个全新的思考方向。

克服“迷茫时刻” 做自己研究领域的领头兵

作为核心成员之一，清华大学博士生黄羽岑坐在材料堆叠的实验台前。“我从本科就在清华大学学习，一直到博士。”她表示，清华大学能给学生提供的平台和选择都很多，是对技能和知识面的全方位培养。“从本科时我就能接触很多学术大拿的讲座和课程，实验室对本科生也都抱持欢迎的态度。”

“这次研究的对象是蛋白复合体。为了保证实验结果精确，要维持研究对象稳定性，包括热稳定性、抗化学变性剂的化学稳定性和抗蛋白酶的抗降解稳定性等要素。我们决定将5个组分分开操作提纯，再统一时间点进行组合，这样能更好保存样品的状态。难度就是，每种蛋白质的纯化过程不同，协调工序后，发现仅完成一次这样的过程，就需要三天半的时间。”即便如此也并不能保证每次合成的样品在观察分析后，能达到预期的效果。

整个过程就这样历时9个月完成，一周两次操作，而每一次组合的当天，大家都要从早上7点工作到凌晨3点。优化后的样品是液态，需要递送到上海，再进行冷冻电镜的数据收集及处理。即便如此团队成员们还是迎难而上，完成了收集和分析工作，获得质量很高的数据，保证了工作推进。

“leading science”是团队所秉持的学术宗旨——做自己研究领域的领头兵。面对新冠肺炎疫情的严峻考验，团队将以此次研究成果为靶点，迎难而上，合作研发针对新冠病毒的小分子药物，为全面提升科研创新能力、战胜新冠肺炎疫情做出清华人应有的贡献。

文/孙东临

编辑/张月朦