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我校學者揭示新冠病毒亞基因組動態生成調控機制
發佈時間:2021-03-05 20:13  作者:  來源:病毒學國家重點實驗室  閲讀:

新聞網訊(通訊員朱瑩)由新冠病毒(SARS-CoV-2)引起的疫情仍在全球肆虐,新冠疫情的防控、理解新冠RNA感染和複製等分子機制、抗病毒藥物及疫苗的開發仍是當下的主要任務。3月4日,病毒學國家重點實驗室周宇、陳宇及藍柯團隊合作在知名學術期刊Molecular Cell(《分子細胞》)在線發表題為“The SARS-CoV-2 Subgenome Landscape and its Novel Regulatory Features(《新冠病毒亞基因組圖譜及調控新特徵》)的研究論文。

周宇教授、陳宇教授與藍柯教授為該論文的共同通訊作者,武漢大學生命科學學院博士生王得和、江翱、馮姜鵬、李廣楠和郭冬為該論文共同第一作者,中科院武漢病毒所石正麗研究員、楊興婁研究員,武漢大學陳明周教授、郭銘老師、博士生劉乾運等參與了本研究。研究工作得到了武漢大學動物三級生物安全實驗室的大力支持以及武漢大學新冠科技攻關專項基金、北京泰康溢彩公益基金會、國家自然科學基金新冠病毒專項等資助。

該研究結合Nanopore、 NGS測序技術及傳統研究手段,利用多種新冠病毒細胞感染模型構建了新冠病毒亞基因組的時序動態圖譜,發現了在病毒亞基因組生成過程中的新模式,並揭示了介導新冠病毒亞基因組生成中的RNA-RNA互作規律及關鍵特徵(圖1)。為理解新冠病毒的感染與複製過程以及抗病毒藥物和疫苗開發提供了新的線索。


圖1 實驗策略、新冠病毒亞基因組生成模式及調控特徵概覽

新冠病毒是一種單股正鏈RNA包膜病毒,基因組長約30,000 nt。之前的研究顯示,冠狀病毒以正鏈RNA基因組為模板利用RdRP合成負鏈RNA。其中,連續合成可產生互補的全長負鏈基因組RNA,而不連續合成則通過模板跳躍產生不同長度的負鏈亞基因組RNA (sgRNA)。這些負鏈RNA中間體作為模板可經由RdRP合成正鏈子代基因組RNA和亞基因組RNA,由此完成基因組的複製和轉錄過程。生成亞基因組RNA過程中的模板跳躍及不連續合成稱為“模板轉換”(template switch),這是病毒高效生成可翻譯RNA的途徑。

在本研究中,該團隊利用2005年研究SARS冠狀病毒亞基因組複製轉錄的經驗及傳統手段,進一步整合Nanopore長讀長測序與NGS深度測序技術及生物信息學分析,建立了綠猴Vero E6細胞系和人類Caco-2細胞系在感染新冠病毒後不同時間點的病毒亞基因組動態圖譜,鑑定出7499個template switch位點,並重構出433條(208個cluster)高置信度的全長亞基因組序列。定量分析發現新冠病毒亞基因組中multi-switching(一個亞基因組中出現兩個或兩個以上的template switch事件)現象中的多個模板轉換事件可級聯發生。

該研究進一步探索了控制亞基因組生成效率的調控特徵。通過分析介導亞基因組生成的RNA互作模式和配對能量,發現新冠病毒在亞基因組生成過程中除了經典的“positive-to-positive template switch”模式(正鏈模板合成負鏈sgRNA過程中發生的template switch),也有部分亞基因組是由“negative-to-negative template switch” 模式(負鏈模板合成正鏈sgRNA過程中發生template switch)產生的。並發現新冠病毒不同亞基因組sgRNAs的丰度與template switch位點周圍RNA-RNA配對能量、連續配對長度,特別是末端配對狀態相關(圖2)。以前的template switch模型認為,特定的TRS-motif介導了template switch的發生。該研究發現有相當種類的亞基因組缺少TRS-motif支持,揭示更加泛化的RNA-RNA互作而非特異TRS-motif是調控病毒亞基因組RNA生成的分子基礎。

圖2 解析新冠病毒亞基因組生成調控規律示意圖

此外,該研究發現新冠病毒在ORF1ab基因與N基因區域存在分佈廣泛、種類多但丰度較低的非經典template switch事件(ORF1ab類型),該現象在新冠病毒感染的不同樣品中均存在。通過對公開的新冠病毒感染的Ribo-seq和質譜數據分析,發現部分ORF1ab類型亞基因組可能擁有編碼新蛋白/肽段的潛力。這一研究比較全面地揭示了新冠病毒亞基因組sgRNA的生成模式和調控規律,為開發新的抗病毒藥物提供了潛在的靶點和新思路。

論文鏈接://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(21)00166-0

(編輯:肖珊)


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