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核酸聚合酶是實現核酸生物合成的關鍵蛋白質機器，在復制、轉錄、逆轉錄等重要過程中發揮核心作用。聚合酶啟動核酸合成的過程也稱為“引發”（initiation），可通過兩種基本模式來實現：第一種稱為“依賴引物”（primer-dependent），需要利用核酸或蛋白作為引物，以DNA復制（DNA replication）過程為代表；另一種則稱為“從頭合成”（denovo synthesis），即由兩個三磷酸核苷（nucleoside triphosphate，NTP）分子反應生成二核苷酸產物來實現引發，以轉錄（transcription）過程為代表。引發過程通常具有序列特異性，穩定性較低且合成速率較慢，聚合酶需要進一步完成從引發階段到序列特異性較低的延伸（elongation）階段的轉換，以實現長鏈核酸的穩定快速合成。RNA病毒編碼的依賴RNA的RNA聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase，RdRP）是RNA病毒必須且唯一共有的基因，隨著埃博拉病毒、2019新型冠狀病毒等RNA病毒近年來不斷在世界范圍造成影響，RdRP日益成為RNA病毒基礎研究和抗病毒研究的熱點。與其他核酸聚合酶類似，RdRP的引發模式也分為依賴引物和從頭合成兩種，分別以脊髓灰質炎病毒3Dpol和登革病毒NS5為代表，自1997年首個RdRP三維結構得到解析以來，RdRP的結構與功能研究雖然不斷取得進展，但這兩類RdRP如何實現從引發到延伸的轉換一直未能得到闡明。
中國科學院武漢病毒研究所龔鵬研究員團隊自2011年起致力于從頭合成型RdRP的引發-延伸轉換機制研究，通過十余年“前仆后繼”式地探索，于近期成功闡明了登革病毒NS5 RdRP的引發-延伸轉換機制。該團隊解析了分辨率為2.6-2.9埃的登革病毒NS5 RdRP與模板-產物雙鏈RNA形成的延伸復合物（elongation complex，EC）晶體結構（圖A）（PDB編號為7XD8和7XD9，數據分別收集于上海光源BL19U1和BL17U1線站），發現在引發階段發揮重要作用的“引發元件”（primingelement，PE，一段位于RdRP拇指結構域的環狀結構）退出RdRP的活性中心并重新折疊成新的形態，而經歷變構過程的引發元件與延伸復合物中的雙鏈RNA又建立了新的相互作用（圖B）。研究團隊通過多種酶學表征方法進一步發現變構后的引發元件提升了延伸復合物穩定性，從而證實引發元件可通過變構在RdRP合成的引發和延伸這兩個重要階段發揮截然不同的功能（圖C）。由于從頭合成型RdRP的引發元件具有較高的序列和結構多樣性，研究團隊據此提出不同RdRP的引發元件變構的細節可能具有較大差異，但其在引發和延伸階段發揮雙重功能的模式可能相同（圖D），即實現“異曲同工”。
這項工作是該團隊在前期解析黃病毒NS5全長三維結構（PLoS Pathogens 2013）和成功組裝黃病毒NS5延伸復合物（PLoS Pathogens 2020）的基礎上在RdRP領域取得的重要突破，也為脊髓灰質炎病毒3Dpol、2019新型冠狀病毒nsp12等依賴引物型RdRP的引發-延伸轉換機制研究提供了借鑒。相關論文近期在線發表于Proc Natl Acad Sci U S A（《美國科學院院刊》），此項研究受到國家重點研發計劃項目（2018YFA0507200，項目負責人為陳新文研究員）、國家自然科學基金項目（32070185；32000136）、中國科學院青年創新促進會項目等的支持。武漢病毒所青年研究員吳繼芹（實現了延伸復合物組裝，主要完成結構生物學研究）和博士研究生王欣雨（解決了延伸復合物可溶性問題并篩選得到復合物結晶條件，主要完成酶學研究）為論文的共同第一作者，實驗師劉巧潔（參與酶學研究）和博士研究生/助理研究員逯國亮（參與結構生物學研究，現為復旦大學副研究員）為共同作者，龔鵬研究員為論文的通訊作者。
論文及前續系列論文鏈接為：
https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2211425120
https://journals.plos.org/plospathogens/article/file?id=10.1371/journal.ppat.1008484&type=printable
https://journals.plos.org/plospathogens/article/file?id=10.1371/journal.ppat.1003549&type=printable
圖：從頭合成型病毒RdRP引發-延伸轉換機制。A）登革病毒NS5 RdRP延伸復合物晶體結構。B）引發元件變構（從左至右）后與雙鏈RNA建立新的相互作用。C）引發元件可提升延伸復合物穩定性。D）引發元件變構簡圖（與動圖類比）。
動圖：RdRP引發元件通過變構實現雙功能與自行車變速器通過形變實現低速-高速模式切換相類似
