冠状病毒NSP13蛋白的结构与功能

Both severe acute respiratory syndrome (SARS) and Middle East respiratory syndrome (MERS) are caused by coronavirus, and have posed a major threat to human health. The recent emergence of MERS has illustrated that such an event can happen anywhere, at any time. However, to date, there is no successful anti-coronvirus vaccine or drug was reported. In host cells, the duplication and transcription of coronavirus are manipulated by a protein complex (RTC), which is composed of virus non-structural proteins (NSPs) and some yet unidentified host proteins. Non-structural protein 13 (NSP13) is conserved in coronavirus. It possesses multiple enzyme functions, include NTPase, dsDNA and dsRNA helicase and triphosphotase. As a key component of RTC, NSP13 carries essential functions for viral replication and it has been presented as a possible antiviral target. However, to date, little structural information for NSP13 is available. In this study, we propose to elucidate the molecular mechanism of NSP13 using crystallography methods. We plant to determine the three dimensional structure of NSP13 from MERS-CoV and study the molecular basis for the enzyme activities combining with mutational experiments. Our project will provide the structural basis for the understanding of the molecular mechanism underlying the duplication/transcription of coronavirus, also will provide the structural information for anti-virus drug design.

冠状病毒是引起SARS与MERS疫情的病原体，两起疫情均已造成严重的公共安全危害，并且依然存在卷土重来的可能性。然而人们对于该类病毒的复制与转录机制仍然知之甚少，并且针对该类病毒的疫苗或者药物的研究与应用目前也没有成功的报道。在宿主细胞内，冠状病毒基因组的转录/复制主要依赖其一系列非结构蛋白与少数未知宿主蛋白形成的复合物完成。非结构蛋白NSP13在冠状病毒中高度保守，该蛋白同时具有NTP水解酶、双链RNA与DNA解旋酶以及磷酸酶活性。作为冠状病毒转录/复制复合物的重要组成部分，NSP13是针对冠状病毒相关药物设计的理想靶点分子，然而该蛋白的结构生物学信息目前仍然未知。本项目拟通过结构生物学方法，解析MERS-NSP13蛋白的三维结构，结合体外突变与相关酶学活性功能实验，最终阐明该类蛋白的分子机制。预期将揭示NSP13参与冠状病毒复制与转录活动的分子机理，为相关药物设计提供重要的结构信息。

冠状病毒是引起SARS、MERS疫情的病原体，两起疫情均在全球范围内引发了严重的公共卫生事件，后者至今尚未平息。尽管近二十年来全球相关机构在相关领域持续不断地投入研究，但是针对该类病毒有效的药物或者疫苗迄今仍然没有成功应用的报道。冠状病毒拥有正链RNA病毒界最大的基因组，其编码的非结构蛋白包含多个重要的潜在药物靶标，但是其中最保守的两个重要蛋白：聚合酶nsp12和解旋酶nsp13，依然长期缺乏必要的结构生物学信息。本研究以MERS冠状病毒nsp13蛋白为研究对象，拟以结构生物学方法为主要研究手段，填补该蛋白长期缺失的结构信息。前期，本研究团队利用昆虫细胞表达系统，建立了MERS冠状病毒nsp13蛋白高效的表达纯化体系。在此基础上，对目标蛋白结晶条件进行了广泛筛选，并初步获得了相应的结晶条件，进一步对初筛结果进行优化，获得了目标蛋白的单晶。最终，利用nsp13蛋白自身结合的锌原子的非正常散射确定相位，成功解析了该蛋白分辨率为3.0Å的精细三维结构。同时，我们也利用生化实验方法成功建立了nsp13蛋白的ATP水解酶、核酸解旋酶的酶活评价体系。本研究结果不仅首次揭示了冠状病毒nsp13蛋白的结构信息，也为以后针对该类病毒的药物设计、小分子抑制剂筛选等研究提供了重要的基础。