目前，新型冠狀病毒SARS-CoV-2感染引起的新型冠狀肺炎COVID-19已在全球大規模流行。截至今日，全球已有320多萬人感染，並造成20多萬人死亡，對人類健康、經濟發展產生了巨大的影響。疫情發生以來，全球科研工作者和醫療工作者都在努力尋找有效藥物和治療手段。
揭示瑞德西韋抗病毒的結構機制
新型冠狀病毒遺傳物質複製機器RNA依賴性RNA聚合酶（RdRp）是新型冠狀病毒催化其遺傳物質RNA合成，病毒複製並實現迅速傳染的關鍵蛋白，因而被認為是最重要的抗病毒藥物靶點之一。瑞德西韋（Remdesivir）原本計劃用於治療埃博拉病毒，同時在前期的細胞和動物實驗中也顯示出對SARS冠狀病毒、MERS冠狀病毒有較好的抗病毒活性，因此在本次新冠疫情期間成為倍受關注的在研療法。瑞德西韋被認為主要通過其代謝產物三磷酸瑞德西韋抑制冠狀病毒RdRp活性達到抗病毒效果。值得注意的是，自從2003年SARS疫情爆發以來，冠狀病毒RdRp聚合酶與抗病毒藥物的複合物結構一直懸而未決，一定程度上阻礙了相關靶向藥物的研發進展。
2020年5月1日，浙江大學基礎醫學院生物物理學系、附屬邵逸夫醫院病理科和浙江省免疫與炎症疾病重點實驗室張巖課題組聯合中國科學院上海藥物研究所徐華強、許葉春課題組和以及中國醫學科學院北京協合醫院-清華大學醫學院張抒揚課題組在《科學》雜誌發表了題為《Structural Basis for the Inhibition of the RNA-Dependent RNA Polymerase from SARS-CoV-2 by Remdesivir》的研究論文。研究團隊率先在國際上成功解析了瑞德西韋與新型冠狀病毒複製機器RdRp的冷凍電鏡三維空間結構，分辨率達到2.5埃。該工作揭示了瑞德西韋抗病毒機制的結構基礎，為靶向藥物的後續研發提供了精確的三維空間結構信息。
瑞德西韋共價結合到遺傳信息複製產物
RdRp的核心成分主要是RNA依賴的RNA聚合酶催化亞基nsp12，同時nsp7和nsp8兩個輔助蛋白也參與遺傳信息複製。為了闡釋新型冠狀病毒如何完成其遺傳物質RNA的複製以及瑞德西韋抗病毒的藥理機制，張巖課題組與上海藥物所、北京協和醫院、清華大學醫學院等單位合作進行新型冠狀病毒RdRp的結構生物學以及藥理學研究。張巖課題組於3月11日首次嘗試基於冷凍電鏡的RdRp結構生物學研究，並迅速完成了RdRp apo複合物的結構解析，空間分辨率達到2.8埃。但是在處理RdRp結合遺傳物質RNA以及抗病毒藥物瑞德西韋複合物的樣品上遇到了挑戰，遺傳信息RNA在冷凍制樣過程中受到氣液界面強烈剪切力的影響極易從RdRp上解離。疫情所需刻不容緩，課題組暫停了其它在研項目，全力奮戰，投入到對冷凍制樣條件的系統篩選和優化，最終於4月5日成功獲得分辨率為2.5埃的複合物結構。團隊迅速著手進行結構分析，並於4月8日在bioRxiv上向全球公佈了相關研究成果，並同時公開結構信息。
高分辨率的新型冠狀病毒RdRp-RNA-瑞德西韋複合物的電鏡結構，首次展示了冠狀病毒複製機器與遺傳信息RNA相互作用的空間結構信息。結構顯示三磷酸瑞德西韋最終以單磷酸形式(RMP)共價結合到RNA引物鏈（模擬遺傳信息經RdRp複製後的產物）3'端的+1位置，終止了RNA引物鏈的延伸，從而阻止了新型冠狀病毒遺傳物質的複製。冷凍電鏡密度圖也清晰展示了三磷酸瑞德西韋經過RdRp催化反應結合到RNA引物鏈後殘留的焦磷酸根。該發現揭示了瑞德西韋抑制新型冠狀病毒複製酶活性的機制，為瑞德西韋等相關藥物的優化提供了結構依據。同時，也為靶向新型冠狀病毒RdRp的新型藥物篩選以及藥物設計提供了精確的三維空間信息。
A-B，新型冠狀病毒RNA聚合酶—RNA模板—瑞德西韋複合物的電鏡密度圖(A)以及結構模型(B)。C，瑞德西韋佔據新型冠狀病毒RNA聚合酶的催化活性中心（瑞德西韋顯示為洋紅色）。
疫情爆發以來，新型冠狀病毒RdRp的結構研究引起了全球科研工作者的關注。3月17日，饒子和院士團隊首次公佈了2.9埃RdRp apo複合物的結構（https://doi.org/10.1101/2020.03.16.993386），並於4月10日正式在《科學》雜誌上發表；4月8日，本團隊分別公佈了2.8埃RdRp apo複合物以及2.5埃RdRp-RNA-瑞德西韋複合物的結構，揭示了新型冠狀病毒遺傳信息複製以及抗病毒藥物瑞德西韋的作用機制（https://doi.org/10.1101/2020.04.08.032763）；4月27日，德國馬普生物物理化學研究所Patrick Cramer團隊，公佈了2.9-3.5埃RdRp與長鏈RNA的結構，揭示了nsp8在遺傳信息複製中的可能發揮的功能（https://doi.org/10.1101/2020.04.27.063180）。新型冠狀病毒還在肆虐，這需要全球科研以及醫療工作者的持續努力，從而獲得這場戰役的最終勝利。
參與本項研究成員合照
據悉，在本研究中，浙江大學基礎醫學院張巖課題組完成了基於冷凍電鏡的結構生物學研究工作；上海藥物所徐華強課題組主要完成了RdRp結合底物RNA和瑞德西韋複合物的組裝；張抒揚課題組負責RdRp體外活性測試；許葉春課題組負責其他抗病毒藥物的分子對接；中科院上海藥物所蔣華良和沈敬山課題組在瑞德西韋三磷酸活性成分合成方面給予了大力支持。
浙江大學基礎醫學院博士後毛春友、研究助理沈丹丹、博士後沈慶亞，上海藥物研究所博士後尹萬超、博士後蘇海霞，清華大學醫學院博士生欒曉東為論文共同第一作者；浙江大學冷凍電鏡中心常聖海博士為本次研究的電鏡數據收集給予了大力協助。張巖研究員與徐華強研究員、許葉春研究員和張抒揚教授為論文共同通訊作者。張巖課題組獲得了浙江大學新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）應急科研專項和國家自然基金委優秀青年項目資助。
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【實驗室介紹】
張巖研究員課題組常年接受博士後申請以及研究生申請!
本課題組主要研究方向為：
1）GPCR偏向性調節劑的篩選及其與效應蛋白複合物的冷凍電鏡研究；
2）受體活性修飾蛋白調節GPCR識別底物特異性的機制；
3）在神經以及免疫系統中發揮重要作用的GPCR，包括但不僅限於目前研究甚少的Adhesion GPCR；
4）高分辨冷凍斷層電鏡技術研發及其應用。
歡迎同樣熱愛科研的你加入。
張巖研究員課題組鏈接 https://person.zju.edu.cn/zhangyan
課題組招聘博士後啟事 https://person.zju.edu.cn/zhangyan#717535
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