全球蔓延的新冠病毒（SARS-CoV-2）疫情导致超8亿人感染和近700万患者死亡，造成人类生命健康的巨大威胁，深刻改变了世界的政治、经济和公共卫生格局。新冠病毒是一种单股正链RNA病毒，病毒RNA基因组本身既编码了遗传信息，也是病毒基因组复制的调控中心。它需要劫持宿主蛋白质（如RNA结合蛋白，RBP） 来执行其在转录和复制过程所需要的特定功能。先前研究已证明多个RBP参与病毒侵染过程，包括影响病毒正链RNA的募集，参与调控病毒从翻译到复制的转换过程，控制病毒RNA的合成与稳定性等。总之，深入了解病毒RNA与宿主RBP之间的相互作用将为了解RNA病毒生命周期提供新的见解，并有助于后续新型抗病毒药物的开发。
2023年6月22日，浙江大学上海高等研究院周如鸿教授及其合作者在Nature Communications上发表题为“Mutagenesis and structural studies reveal the basis for the specific binding of SARS-CoV-2 SL3 RNA element with human TIA1 protein”的研究论文。该论文通过计算生物学、RNA生物化学和细胞病毒侵染实验等多种手段，首次详细研究了SARS-CoV-2病毒RNA基因组5’-UTR中的保守顺式作用元件SL3与人体TIA1蛋白之间的结合相互作用，并阐明其分子作用机理。这一研究为探索病毒RNA与宿主蛋白相互作用开辟了一条新途径，并为RNA靶向的新型抗病毒药物设计提供了先验性的结构基础。
图1：SL3 RNA元件与TIA1蛋白的三维结合模型
首先，作者团队结合RNA结构预测与凝胶电泳迁移率变动分析（EMSA）证实了SARS-CoV-2病毒RNA基因组中的SL3元件与人体TIA1蛋白的结合具有高亲和性（Kd=0.78±0.09µM）。通过分子建模和分子动力学模拟构建了SL3与TIA1结合复合物的三维结构（图1），发现除了带正电的氨基酸残基和带负电的RNA主链之间的静电相互作用外，芳香环堆积、氢键和疏水相互作用共同指导 SL3 与 TIA1 蛋白的特异性结合。
图2：设计的各种SL3变体与人体TIA1蛋白的结合能力
此外，作者团队通过设计各种环长度截短或序列改变的SL3变体并结合后续的EMSA实验，发现SL3中的7-nt发夹环和5-nt 3’-末端环对结合是必不可少的。如图2所示，发夹环和3’-末端环的长度截短或序列改变都会明显影响其与TIA1的结合亲和力。随后，作者团队利用P3实验室的病毒感染细胞实验表明，通过设计特定的反义寡核苷酸（ASO）来干扰SL3和TIA1的相互作用可显著降低Huh7.5.1细胞中SARS-CoV-2 RNA的复制量。
图3：β冠状病毒RNA基因组中SL3元件的序列比对及其与人体TIA1蛋白的结合能力
最后，鉴于5’-UTR中顺式作用元件在β冠状病毒RNA基因组中的序列保守性，作者发现人体 TIA1 蛋白也能与MERS和 SARS等冠状病毒中的SL3元件相互作用，并具有相当的结合亲和力。
该研究结合计算模拟与实验手段，详细阐明了SARS-CoV-2病毒RNA顺式作用元件SL3与人体TIA1蛋白相互作用的分子机理，以期为了解病毒感染过程中的复制机制提供新的见解，并为后续新型RNA靶向的抗病毒药物设计奠定基础。
浙江大学上海高等研究院周如鸿教授、浙江大学生命科学学院王智烨研究员和中国医学科学院北京协和医学院王健伟教授为论文共同通讯作者，该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，国家自主创新示范区上海张江重大专项，国家生物药技术创新中心，上海人工智能实验室，浙江大学上海高等研究院繁星科学基金等资助。
周如鸿教授简介
周如鸿，AAAS Fellow, APS Fellow, 浙江大学求是讲席教授，浙江大学上海高等研究院院长，浙江大学生命科学学院院长。长期从事计算生物学、生物物理、生物化学与人工智能+等交叉学科的研究，在蛋白质设计、纳米药物设计、肿瘤免疫机制等领域取得了一系列国际领先的原创性成果。授权30余项国际专利，在Nature，Science，Cell等国际权威学术刊物发表论文300余篇 (其中 1篇 Cell，2篇 Nature，2篇 Science，20篇 Nature子刊，17篇 PNAS， 14篇 JACS)，文章总引用超过25000余次，H因子82 （Google Scholar）。近年来主要研究兴趣包括开发高性能计算与机器学习等新算法研究肿瘤免疫分子机制，高效抗肿瘤纳米药物，和生物大分子互作机理等。
