【文献阅读】新冠病毒主要毒力因子Nsp1与宿主的彼此感化 -

截至10月31日，新冠病毒已造成全球4600多万人感染，超过100万人死亡，近日在国外爆发了第二波疫情，国内新疆也出现了散发病例，山东进口食品中也检出了新冠病毒，应对疫情仍然不能松懈

新冠病毒采取多聚体蛋白的方式进行翻译，在蛋白酶切割下，ORF1a、ORF1b被加工为成熟的病毒非结构蛋白，其中Nsp1是病毒感染最先表达产生的蛋白质。病毒Nsp1能够靶向宿主40S核糖体亚基导致翻译暂停，并激活核酸酶水解宿主RNA，而病毒RNA不受影响，以此劫持宿主系统。Nsp1可能是重要的致病因子，也可能作为减毒疫苗的靶点。近日，耶鲁大学熊勇教授团队在国际知名期刊Molecular Cell上发表了研究论文“Nonstructural protein 1 of SARS-CoV-2 is a potent pathogenicity factorredirecting host protein synthesis machinery toward viral RNA”，研究人员通过筛选新冠病毒蛋白和转录组分析发现Nsp1蛋白能够广泛改变细胞基因表达谱，利用结构生物学方法深入探究了SARS-CoV-2 Nsp1抑制宿主翻译的分子机制，为理解新冠病毒的高致病性提供了新的理解。

标题

之前的新冠病毒相互作用组学研究表明病毒蛋白能够通过多条途径影响宿主细胞机器，基于此研究人员通过载体将病毒蛋白转入哺乳动物细胞中。在28个克隆的蛋白中仅有Nsp1对细胞存活有明显影响，通过荧光素酶实验更精确地证实了这一现象，在H1299和Vero细胞中Nsp1都导致了细胞数量明显减少。研究者对新冠病毒Nsp1的关键位点进行了突变，突变株对细胞的影响与空载体类似，因此说明了功能性的Nsp1直接影响了细胞活力。于是研究者分析Nsp1是否是通过诱导细胞死亡发挥作用的，对活化的caspase3染色观察，发现Nsp1的确诱导了细胞凋亡，而其他病毒蛋白及Nsp1突变体都不起作用。

不同病毒蛋白对细胞活力的影响

为了全面无误地分析Nsp1诱导的全局基因变化，研究人员采用了mRNA-seq技术分析了Nsp1对宿主细胞的早期影响。差异表达谱分析显示了Nsp1造成大量基因发生了显著改变，聚类分析和生物学过程分析富集于核糖体蛋白和翻译过程，线粒体功能与细胞分裂，mRNA加工。进一步分析关键基因表达水平发现Nsp1广泛且显著改变了宿主基因表达谱。

Nsp1诱导转录组分析

为了探究Nsp1的翻译抑制机制，研究者利用冷冻电镜技术解析了40S亚基与Nsp1的复合体结构。Nsp1C端横跨40S亚基的顶部和核心区段，其螺旋和环区与核糖体蛋白、18SrRNA相互作用，封闭了mRNA的进入通道，，而Nsp1的N端与uS3蛋白、rRNA相匹配，结合能力较弱。同时研究者发现Nsp1-40S的复合体与起始tRNA占据的封闭复合体类似，因此能够维持40S特定的构象，无法进行mRNA装载。

Nsp1与40S结合机制

Nsp1与uS3的相互作用遮盖了uS3的可接触部分，导致大小亚基无法有效组装。研究者推测这种相互作用可能直接影响了翻译起始因子eIF3的结合，竞争结合实验证实了这一猜测，在Nsp1量接近或高于eIF3时,eIF3几乎不能与40S结合。

Nsp1影响eIF3

研究者利用蟋蟀麻痹病毒的内部核糖体进入位点(IRES)探究Nsp1是否会抑制mRNA与40S亚基的结合，结果发现Nsp1与IRES能够同时结合40S核糖体亚基，但是由于40S亚基顶部构象的变化，Nsp1使得IRES不能有效结合到关键区域，IRES和Nsp1之间有明显的裂隙，因此Nsp1的结合导致无法启动IRES介导的翻译起始。

Nsp1影响IRES结合

该研究从细胞表型筛选出发，到转录分析揭示Nsp1可能作用的靶点，载利用冷冻电镜技术解析Nsp1影响mRNA进入，改变40S复合体构象，影响eIF3起始翻译，IRES介导的起始，多途径干扰宿主翻译系统，为理解新冠病毒的致病机制提供了细致的信息。后续研究可能可以深入探究新冠病毒如何劫持宿主系统用于病毒自身翻译，同时Nsp1可能作为重要的靶点用于药物开发和疫苗设计。

本期编辑：Reynard Fox

审阅：Tony

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.10.034

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