清華新聞網(wǎng)3月29日電 新型冠狀病毒是全球新冠肺炎大暴發(fā)的罪魁禍?zhǔn)住Ｐ鹿诓《臼菃捂淩NA病毒，其RNA基因組是調(diào)控病毒感染的重要因子。新冠病毒的RNA基因組非常小，所編碼的蛋白質(zhì)數(shù)目也很有限，病毒的生命周期極大依賴宿主細(xì)胞中的蛋白質(zhì)因子來完成。解析新冠病毒RNA基因組的在宿主細(xì)胞內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)，確定與其相互作用的宿主因子，有助于開發(fā)治療新冠肺炎的特效藥物。
近日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張強(qiáng)鋒課題組與中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院王健偉課題組、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院丁強(qiáng)課題組合作，解析了人細(xì)胞內(nèi)新冠病毒RNA的全基因組結(jié)構(gòu)。基于細(xì)胞內(nèi)的病毒RNA結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，張強(qiáng)鋒課題組依靠新開發(fā)的人工智能算法工具PrismNet，預(yù)測(cè)了大量結(jié)合新冠RNA的宿主蛋白質(zhì)因子。令人振奮的是，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一些宿主因子已有的靶向藥物，可以經(jīng)過重定位在細(xì)胞內(nèi)抑制新冠病毒感染，是抗新冠肺炎的潛在候選藥物（圖1）。
圖1.解析新冠病毒體內(nèi)RNA結(jié)構(gòu)，并基于結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)相關(guān)宿主因子，篩選潛在抗病毒重定位藥物
RNA結(jié)構(gòu)是RNA功能和調(diào)控的基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來，科研工作者通過X射線晶體衍射、核磁共振、冷凍電子顯微鏡等方法解析了大量RNA結(jié)構(gòu)，揭示了各種RNA結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系。近年來一些新的結(jié)構(gòu)解析方法給開發(fā)出來，結(jié)合細(xì)胞內(nèi)的人為RNA化學(xué)修飾和深度測(cè)序技術(shù)，在全轉(zhuǎn)錄組水平檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)的RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)。這些新的RNA高通量技術(shù)，揭示了大量RNA結(jié)構(gòu)參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的規(guī)律和機(jī)制。
張強(qiáng)鋒課題組自建立起一直致力于研究RNA結(jié)構(gòu)，專注于新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，并進(jìn)一步利用這些新方法深入理解RNA結(jié)構(gòu)的科學(xué)意義及醫(yī)學(xué)應(yīng)用。在之前的工作中，張強(qiáng)鋒課題組利用兩種RNA結(jié)構(gòu)新技術(shù)（icSHAPE技術(shù)與PARIS技術(shù)）解析了寨卡病毒的RNA基因組結(jié)構(gòu)。寨卡病毒在2007年暴發(fā)，其病毒基因組可以大致分為流行的亞洲株系和非流行的非洲株系。該課題組的研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在亞洲株系中特異存在的RNA結(jié)構(gòu)元件，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明該結(jié)構(gòu)元件可能會(huì)提高病毒的感染力，為流行病毒株系導(dǎo)致的病毒大流行提供了新的解釋。
張強(qiáng)鋒課題組還致力于開發(fā)新的人工智能方法來解決復(fù)雜的生物學(xué)問題。在一個(gè)與該新冠病毒RNA結(jié)構(gòu)研究同時(shí)發(fā)表的工作中，該課題組通過整合對(duì)應(yīng)的細(xì)胞內(nèi)RNA結(jié)構(gòu)信息和RBP結(jié)合信息，開發(fā)了一個(gè)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)RNA結(jié)合蛋白（RBP）的結(jié)合位點(diǎn)及其變化的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PrismNet（圖2）。RBP在轉(zhuǎn)錄、RNA代謝以及翻譯過程中起重要的調(diào)控作用。CLIP實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為RNA研究最重要的技術(shù)之一，可以解析RBP在整個(gè)轉(zhuǎn)錄組上的結(jié)合圖譜，是系統(tǒng)理解一個(gè)RBP功能及其調(diào)控機(jī)制的基礎(chǔ)。多年的科學(xué)研究積累了大約200個(gè)基于CLIP實(shí)驗(yàn)的RBP轉(zhuǎn)錄組結(jié)合圖譜，是研究RNA調(diào)控的重要資源。PrismNet的一個(gè)重要應(yīng)用價(jià)值在于大大擴(kuò)充了這個(gè)資源。比如，對(duì)于任意一個(gè)RBP，只要在任意一個(gè)細(xì)胞背景下做了CLIP實(shí)驗(yàn)，PrismNet就可以通過構(gòu)建準(zhǔn)確的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，把該RBP的結(jié)合信息外推到其他解析了RNA結(jié)構(gòu)的細(xì)胞背景中。
圖2.人工智能方法PrismNet的構(gòu)建及應(yīng)用
疫情暴發(fā)后，張強(qiáng)鋒課題組迅速行動(dòng)，與中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院王健偉課題組以及清華大學(xué)丁強(qiáng)課題組通力合作，致力于解析新冠病毒感染的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)抗病毒的特效藥物。基于課題組之前的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，張強(qiáng)鋒課題組利用icSHAPE技術(shù)解析了感染細(xì)胞內(nèi)新冠病毒RNA基因組的二級(jí)結(jié)構(gòu)圖譜并搭建了二級(jí)結(jié)構(gòu)模型。通過結(jié)構(gòu)模型，作者找到了大量保守的RNA結(jié)構(gòu)元件，并通過反義多聚核酸（ASO）干擾、結(jié)構(gòu)突變等實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了一些RNA元件對(duì)病毒生長(zhǎng)的作用。
更重要的是，課題組利用解析得到的新冠病毒的RNA結(jié)構(gòu)和上文提到的人工智能方法PrismNet，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了多個(gè)與新冠病毒RNA相互作用的宿主蛋白，并對(duì)其中一部分相互作用及其功能相關(guān)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)這些宿主因子，合作團(tuán)隊(duì)找到了多個(gè)的市場(chǎng)上已有的靶向藥物。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過這些藥物處理的細(xì)胞感染新冠病毒的能力大大減弱了。這意味著，這些重定位藥物可以為治療新冠肺炎提供新的潛在候選治療方案。
該研究工作在《細(xì)胞》（Cell）期刊和《細(xì)胞研究》（Cell Research）期刊上同時(shí)發(fā)表。其中新冠病毒RNA基因組結(jié)構(gòu)解析和藥物重定向的工作發(fā)表在《細(xì)胞》期刊上（2月9日），題為“通過細(xì)胞內(nèi)新冠病毒RNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)靶向宿主蛋白的重定位藥物”（In vivo structural characterization of the SARS-CoV-2 RNA genome identifies host proteins vulnerable to repurposed drugs）；研究中所使用的預(yù)測(cè)細(xì)胞內(nèi)RNA-蛋白質(zhì)相互作用的人工智能方法發(fā)表在《細(xì)胞研究》期刊上（2月23日），題為“使用人工智能方法基于細(xì)胞內(nèi)RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)-RNA動(dòng)態(tài)相互作用”（Predicting dynamic cellular protein–RNA interactions by deep learning using in vivo RNA structures）。
清華大學(xué)張強(qiáng)鋒副教授、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院王健偉教授以及清華大學(xué)丁強(qiáng)研究員為新冠病毒論文的共同通訊作者；清華大學(xué)博士后孫磊、清華大學(xué)博士生李盼、清華大學(xué)博士生鞠曉輝、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院博士后饒健、清華大學(xué)博士生黃文澤為該論文共同第一作者。同時(shí)，張強(qiáng)鋒副教授也是人工智能方法論文的通訊作者；清華大學(xué)博士后孫磊，博士生徐魁、黃文澤等為該論文共同第一作者。研究工作獲得國家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)春風(fēng)基金，北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命聯(lián)合中心等資助。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00158-6（新冠病毒論文）
https://doi.org/10.1038/s41422-021-00476-y（人工智能方法論文）
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
