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病毒学国家重点实验室周溪课题组在诺如病毒复制及抗病毒研究取得新进展

导语
        诺如病毒导致的感染性腹泻在全世界范围内均有流行,感染对象覆盖全年龄段,每年感染约6.84亿人,造成110余万住院病例及高达21万人的死亡,以及高达600亿美元的经济损失。目前尚无针对诺如病毒的疫苗与抗病毒药物。2017年12月13日,中国科学院武汉病毒研究所研究员周溪课题组在Journal of Virology上发表了题为Human Norovirus NS3 has RNA Helicase and Chaperoning Activities(人诺如病毒NS3蛋白具有RNA解旋酶及分子伴侣功能)的研究论文,研究发现诺如病毒NS3蛋白同时具有依赖于ATP的RNA解旋酶功能,以及不依赖于ATP的RNA分子伴侣的功能;NS3的解旋功能可以促进诺如病毒RNA复制,对诺如病毒的复制及病毒活性至关重要。进一步研究发现,一种由FDA批准上市治疗类重症肌无力综合征的小分子药物可以抑制诺如病毒NS3的解旋活性,并能在细胞水平有效抑制诺如病毒RNA复制。



研究背景
诺如病毒是正链RNA病毒,属杯状病毒科(Caliviridae)诺如病毒属(Norovirus genus)。诺如病毒感染性腹泻在全世界范围内均有流行,全年均可发生感染,感染对象主要是成人和学龄儿童,寒冷季节呈现高发。美国每年在所有的非细菌性腹泻暴发中,60-90%是由诺如病毒引起。荷兰、英国、日本、澳大利亚等发达国家也都有类似结果。在中国5岁以下腹泻儿童中,诺如病毒检出率为15%左右,血清抗体水平调查表明中国人群中诺如病毒的感染亦十分普遍。在RNA病毒的复制过程中,由病毒编码的解旋酶及RNA分子伴侣被认为在解开复制过程产生的RNA双链、重塑病毒RNA构象的过程中发挥重要作用。目前,大部分RNA病毒均被发现编码自己的解旋酶或RNA分子伴侣。然而,对于诺如病毒甚至杯状病毒来说,其是否编码解旋酶或RNA分子伴侣一直未知,这阻碍了人们对这类重要人类病毒复制机制的认识。

结果速递

1、诺如病毒NS3蛋白具有解旋酶超家族3保守的motif与结构

     研究者首先通过序列结构分析发现对诺如病毒NS3蛋白具有EV71的2C蛋白、SV40的LTag蛋白、HPV18的E1蛋白以及AAV2的Rep40蛋白类似,均具有解旋酶超家族3(Super Family 3, SF3)的保守motif和结构(图1)。


Fig. 1. Norovirus NS3 is similar with other virus-encoded SF3 helicases in consensus motifs and protein structures.

2、诺如病毒NS3蛋白具有NTPase活性

      紧接着,研究者首先使用昆虫杆状病毒系统表达重组麦芽糖-了NS3融合蛋白(MBP-NS3),并验证了NS3可以与4种NTPase均能发生反应,并验证了不同ATPase浓度、不同Mg2+浓度以及pH6.8-8.0值对反应的影响(图2)。


Fig. 2. NV NS3 has NTPase activity.


3、NS3蛋白同时具有依赖于ATP的RNA解旋酶功能以及不依赖于ATP的RNA分子伴侣的功能

     发现诺如病毒NS3蛋白同时具有依赖于ATP的RNA解旋酶功能,以及不依赖于ATP的RNA分子伴侣的功能(图3,4)。NS3的解旋功能可以促进诺如病毒RNA复制,对诺如病毒的复制及病毒活性至关重要(图5)。


Fig. 3. NV NS3 has nucleic acid helix unwinding activity

Fig. 4. NV NS3 has RNA chaperoning activity to destabilize structured RNA strands and promote annealing


Fig. 5. NV NS3 facilitates noroviral RNA synthesis in vitro.

4. 盐酸胍GuHCl可以抑制NS3的活性

    进一步研究发现,一种由FDA批准上市治疗类重症肌无力综合征的小分子药物GuHCl可以抑制诺如病毒NS3的解旋活性,并能在细胞水平有效抑制诺如病毒RNA复制(图6)。

Fig. 6. GuHCl inhibits the biochemical activities of NV NS3

小结
本研究获英国皇家学会与国家基金委牛顿高级学者基金(31761130075)、国家优秀青年科学基金(31522004)、国家青年863项目(2015AA020939)、中国科学院先导科技专项(XDPB0301)等资助。该研究首次发现了诺如病毒及杯状病毒编码具有RNA解旋酶及分子伴侣活性的病毒蛋白,揭示其在诺如病毒RNA复制中的作用及机制,加深了对该类重要病原病毒复制机制的认识,也为抗诺如病毒药物的研发提供了新思路。

ABSTRACT

RNA remodeling proteins, including RNAhelicases and chaperones, act to remodel RNA structures and/or protein-RNAinteractions, and are required for all processes involving RNAs. Although manyviruses encode RNA helicases and chaperones, their in vitro activities andtheir roles in infected cells largely remain elusive. Noroviruses are a diversegroup of positive-stranded RNA viruses in the family Caliciviridae, andconstitute a significant and potentially fatal threat to human health. Here wereport that protein NS3 encoded by human norovirus has both ATP-dependent RNAhelicase activity that unwinds RNA helices and ATP-independent RNA chaperoningactivity that can remodel structured RNAs and facilitate strand-annealing.Moreover, NS3 can facilitate viral RNA synthesis in vitro by noroviruspolymerase. NS3 may therefore play an important role in norovirus RNAreplication. Lastly, we demonstrate that the RNA remodeling activity of NS3 isinhibited by guanidine hydrochloride, an FDA-approved compound and, moreimportantly, that it reduces the replication of norovirus replicon in culturedhuman cells. Altogether, these findings are the first to demonstrate thepresence of RNA remodeling activities encoded by Caliciviridae, and highlightthe functional significance of NS3 in noroviral life cycle.

IMPORTANCE
         
Noroviruses are a diverse group ofpositive-stranded RNA viruses, which annually cause hundreds of millions ofhuman infections and over 200,000 deaths worldwide. For RNA viruses, cellularor virus-encoded RNA helicases and/or chaperones have long been considered toplay pivotal roles in viral life cycles. However, neither RNA helicase norchaperoning activity has been demonstrated to associate with anynorovirus-encoded proteins, and it is also unknown whether norovirusreplication requires the participation of any viral or cellular RNAhelicases/chaperones. We found that a norovirus protein NS3 not only hasATP-dependent helicase activity, but also acts as an ATP-independent RNAchaperone. And NS3 can facilitate in vitro viral RNA synthesis, suggesting theimportant role of NS3 in norovirus replication. Moreover, NS3 activities can beinhibited by an FDA-approved compound, which also suppresses norovirus repliconreplication in human cells, raising the possibility that NS3 could be a targetfor anti-noroviral drug development.

文链接:

Teng-FengLi, Myra Hosmillo, Hella Schwanke, Ting Shu, Zhaowei Wang, Lei Yin, Stephen Curry,Ian G. Goodfellow and Xi Zhou*. Human Norovirus NS3 has RNA Helicase andChaperoning Activities [J].J. Virol. 2017 Dec 13 

DOI:10.1128/JVI.01606-17


本期编辑:Annabella