张强锋课题组/谭旭课题组解析寨卡病毒基因组RNA二级结构图谱并发现调控RNA病毒传播的新型分子机制

2018-11-22 19:26:20

11月21日,清华大学生命科学学院张强锋课题组、药学院谭旭课题组在《细胞宿主与微生物》(Cell Host & Mircobe)期刊在线发表题为《寨卡病毒基因组RNA结构的综合分析揭示了病毒感染性的关键决定因素》(Integrative Analysis of Zika Virus Genome RNA Structure Reveals Critical Determinants of Viral Infectivity)的研究论文。该论文对寨卡病毒的RNA基因组在二级结构层次进行了综合分析和建模,并在此基础上发现且验证了一个只在流行株系中特异性存在的长程RNA-RNA相互作用,研究表明该相互作用可能促进寨卡病毒流行株系的细胞感染功能。论文显示了RNA二级结构对寨卡病毒的重要作用,阐释了调控RNA病毒传染性和毒性的新型分子机制,为相关药物开发提供了重要的结构基础。

寨卡病毒是一种黄热病毒。与登革病毒、乙型脑炎等常见典型黄热病毒类似,寨卡病毒通过蚊虫叮咬在人类和其它动物中传播,对人类健康有严重的威胁。寨卡病毒有两个流行株系:一个比较古老的非洲株系,于 1947年发现于非洲;另一种是流行的亚洲株系(又称美洲株系),原在东南亚流行,后在南美洲和中北美洲爆发。目前,对人类威胁较大的株系是亚洲株系。早在2013年法属波利尼西亚群岛(大溪地)和2015年巴西的寨卡疫情中,人们就发现感染寨卡病毒孕妇的胎儿会有小头畸形的症状,同时亚洲株系也被发现会引起格林巴氏综合症。2016年寨卡病毒大规模流行,据统计感染规模超过百万人;因此被世界卫生组织宣布为国际公共卫生紧急事件。

自从大规模流行以后,寨卡病毒吸引了广泛的研究关注。一个重要的科学问题是理解流行株系和非流行株系的基因组差异在病毒传播过程中的作用。以前的研究主要关注氨基酸或者说蛋白质的差异。比如在2017年,军事医学科学院的秦成峰课题组和清华大学的程功课题组分别报道了两个关键的病毒蛋白的氨基酸单位点突变,这些突变对寨卡流行病毒株系的毒性和传播有关键提升作用。然而,比较基因组的分析结果表明,寨卡病毒流行株系和非流行株系的大部分基因组差异并不带来氨基酸的变化,而是发生在非编码区的突变和编码区的同义突变。这些在蛋白层次“沉默”的突变有可能在RNA层次造成功能和调控的差异。然而,由于技术的限制,人们对此所知甚少。

和其它黄热病毒一样,寨卡病毒的基因组是一条长为一万个核苷酸左右的正链RNA,其中包括编码全部11个病毒蛋白的编码区以及5’端和3’端的非编码区域。在本研究中,研究者综合利用了两种新型的、基于高通量测序技术的RNA二级结构研究手段,平行解析并比较了亚洲株系和非洲株系的寨卡病毒在哺乳动物细胞内的基因组RNA结构。这两种新技术包括利用小分子修饰结合深度测序探测RNA二级结构的icSHAPE技术(2015年发表于Nature),和利用小分子交联结合深度测序检测RNA分子相互配对作用的PARIS技术(2016年发表于Cell)。研究者将测得的icSHAPE和PARIS数据和已知病毒RNA元件的二级结构进行了系统比较,验证了两种技术解析病毒RNA结构的有效性。以PARIS数据为依据,对寨卡病毒RNA基因组进行了RNA结构域的划分,并在结构域的基础上,结合icSHAPE数据和RNA结构预测软件,构建了亚洲和非洲株系寨卡病毒全基因组RNA的二级结构模型。

图1. 结合icSHAPE技术和PARIS技术解析寨卡病毒中的关键RNA结构元件

值得注意的是,结合 PARIS数据和寨卡病毒各亚型的系统进化分析,研究者从中发现了一个亚洲株系特异的5’端非编码区和病毒包膜蛋白编码区之间的长距离RNA-RNA相互作用。在这个区域,亚洲株系相对于非洲株系有很大的核苷酸差异。这些差异都特异的位于氨基酸密码子的第三位因而不影响编码蛋白,但却形成了亚洲株系中特异RNA相互作用的基础。研究者对这个RNA-RNA相互作用进行了突变和回补实验,验证了其对亚洲株系的重要性,如果破坏该相互作用会大幅降低寨卡病毒在神经胶质瘤细胞中的感染性。这个结果揭示了RNA二级结构对于病毒感染性调控的复杂性和重要性,对于理解病毒的基因组组成和进化,开发新型基于RNA的抗病毒药物都有启示意义。

清华大学生命学院张强锋研究员和药学院谭旭研究员为本文的通讯作者,CLS项目博士生李盼、生命学院博士生魏逸凡、梅淼和PTN项目博士生生唐磊为本文共同第一作者。本工作得到了军事科学院秦成峰、加州大学河边分校和清华大学姜涛、苏州大学戴剑锋等的帮助,并获得国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、清华大学结构生物学高精尖中心、清华-北大生命科学联合中心和国家青年千人计划项目的资金支持。