中国科学家揭示虫媒黄病毒复制调控新机制

zszhao

日前，军事医学科学院微生物流行病研究所的研究人员发现，虫媒黄病毒基因组末端存在一个具有“开关”功能的RNA元件UFS，该元件可动态调节病毒复制酶的募集和基因组环化，在病毒复制过程中发挥关键的调控作用。该研究于近期发表于国际著名学术期刊eLife上。（论文链接：）https://elifesciences.org/content/5/e17636

虫媒黄病毒包括一大类对人类致病的病原体，如登革病毒、西尼罗病毒、黄热病毒以及最近引起全球关注的寨卡病毒等。黄病毒各成员基因组结构非常类似，均为单股正链RNA分子，两端分别为5′和3′非编码区，内部为单一的开放读码框。病毒复制及组装必需的病毒蛋白均由读码框翻译产生；而在基因组5′和3′末端中则含有病毒RNA复制必需的多种顺式作用元件，但其具体的调控机制目前并不清楚。对黄病毒基因组复制机制的研究不但有助于深入了解正链RNA病毒这一类特殊有机体的复制策略，同时也可为抗病毒药物的研发提供重要靶点。
军事医学科学院微生物流行病研究所秦成峰团队长期围绕虫媒黄病毒的复制调控机制开展研究，在前期发现并命名编码区调控元件DCS-PK的基础上（J Virol, 2013），该团队在黄病毒基因组5′ 末端又发现了一个全新的RNA调控元件，命名为UFS。随后的而研究表明，该元件在几乎所有的黄病毒中高度保守，并且对于SLA元件募集病毒RNA聚合酶的功能具有显著的促进作用。进一步利用登革病毒和寨卡病毒的反向遗传学系统证实，破坏UFS元件的二级结构可显著降低病毒RNA的复制，而引入互补突变使UFS的结构恢复则可将病毒RNA复制水平提高至野生型病毒的水平。有趣的是，在病毒基因组处于不同构象下，该元件具有双链及解链两种不同的构象，提高UFS元件结构的稳定性可导致病毒基因组的环化效率及病毒RNA的复制水平均出现显著的降低。而病毒基因组环化所介导的UFS元件解链现象，则可导致病毒基因组5′末端与病毒RNA聚合酶之间的亲和力降低。
基于上述发现，该团队提出，UFS元件的构象由病毒基因组环化所控制，其目的是实现病毒RNA聚合酶募集的动态变化，从而满足病毒基因组复制不同阶段的需求（图）。这一全新的黄病毒基因组复制调控模型的提出，揭示了RNA病毒基本复制调控的理解，并为抗黄病毒药物的研发提供了新的靶点与思路。
军事医学科学院微生物流行病研究所刘忠钰博士为本文第一作者，秦成峰研究员为本文通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家优秀青年基金、英国医学科学院／国家自然科学基金“牛顿高级学者”基金、国家自然科学基金创新群体、北京市科技新星计划等项目的支持。


虫媒黄病毒UFS元件动态调控基因组复制作用的示意图
Viral RNA switch mediates the dynamic control of flavivirus replicase recruitment by genome cyclization
Zhong-Yu Liu，Xiao-Feng Li，Tao Jiang，Yong-Qiang Deng，Qing Ye，Hui Zhao，Jiu-YangYu，Cheng-Feng Qin
Beijing Institute of Microbiology and Epidemiology, China; State Key Laboratory of Pathogen and Biosecurity,China
Viral replicase recruitment and long-range RNA interactions are essential for RNA virus replication, yet the mechanism of their interplay remains elusive. Flaviviruses include numerous important human pathogens, e.g., dengue virus (DENV) and Zika virus (ZIKV). Here, we revealed a highly conserved, conformation-tunable cis-acting element named 5′-UAR-flanking stem (UFS) in the flavivirus genomic 5′ terminus. We demonstrated that the UFS was critical for efficient NS5 recruitment and viral RNA synthesis in different flaviviruses. Interestingly, stabilization of the DENV UFS impaired both genome cyclization and vRNA replication. Moreover, the UFS unwound in response to genome cyclization, leading to the decreased affinity of NS5 for the viral 5′ end. Thus, we propose that the UFS is switched by genome cyclization to regulate dynamic RdRp binding for vRNA replication. This study demonstrates that the UFS enables communication between flavivirus genome cyclization and RdRp recruitment, highlighting the presence of switch-like mechanisms among RNA viruses.