利用反义核酸导向激活RNase L实现SARS-CoV-2病原RNA高效降解

自2019年底持续流行的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）如今依旧凭借其强传染力和快速突变特征威胁着全球卫生安全和个体健康。严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2 (SARS-CoV-2) 作为该疾病的病原体，其生命过程中的受体识别、膜融合及病毒组装环节均存在被人为干预的可能。在其四种主要的结构蛋白，即刺突蛋白 (Spike, S)、核衣壳蛋白 (Nucleocapsid, N)、包膜蛋白 (Envelope, E) 和膜蛋白 (Membrane, M) 中，体积最小的E蛋白辅助病毒出芽，体积最大的S蛋白介导病毒与宿主细胞上的特异性受体结合。后者由于主导了病毒感染过程，还是重要的抗病毒潜在治疗靶标。

RNase L作为脊椎动物细胞中广泛存在的天然抗病毒免疫组分，可被其特异性配体2’-5’ poly(A)_{n (n≥3)} (2-5A)招募激活，以二聚化形式发挥对单链RNA上UN^N (N=A, U, C, G)位点的强烈切割活性。一旦病毒感染宿主细胞，RNase L与内源合成的2-5A迅速结合，通过切割病毒RNA、诱导干扰素 (IFN) 分泌等方式激活细胞的天然抗病毒免疫。构建可以特异性结合靶标RNA的分子可增强RNase L对病原性RNA降解的靶向性和催化效率，避免了RNase L广泛激活引起的细胞凋亡风险。反义核酸 (Antisense oligonucleotides) 作为与靶标RNA通过序列特异性的高亲和力互补配对且易于设计合成的特点，通过骨架和末端修饰可实现RNase L招募性和靶标RNA亲合性的统一。此外，基于碱基互补配对原则设计的反义核酸理论上还具有灵活靶向特定致病RNA、设计规律性强、药效机制明确的优势。

近日，北京大学医学部药学院的汤新景教授（点击查看介绍）团队在Angewandte Chemie International Edition 发表论文，设计构建了一类靶向SARS-CoV-2包膜蛋白RNA (E-RNA) 和刺突蛋白RNA (S-RNA) 的单链嵌合寡核苷酸 (Nucleic Acid-hydrolysis TArgeting Chimera, NATAC)，通过在2’甲氧基修饰的反义核酸序列其5’端缀合RNase L招募基团2-5A，可实现有效的病毒RNA降解并抑制病毒增殖。

图1. NATAC分子切割降解SARS-CoV-2病原RNA。图片来源：Angew. Chem.

由于RNase L被激活后具备强烈的单链RNA切割活性，上述NATAC核酸可在低于对照反义核酸的浓度下快速降解病毒RNA、并正反馈上调RNase L转录水平。同时，在SARS-CoV-2假病毒感染模型中，经过筛选，靶向S-RNA的一条嵌合寡核苷酸在中等浓度下即可有效抑制假病毒组装和感染宿主细胞；对于携带N501Y和/或ΔH69/ΔV70氨基酸突变 (均为B.1.1.7毒株所携带) 的SARS-CoV-2假病毒，这一抑制活性依然显著。通过导向激活RNase L，本研究设计构建的NATAC分子不仅提升了经典反义核酸对靶mRNA的降解效率，还能通过上调IFN-β等细胞因子的转录水平继续激活细胞的天然免疫过程。该技术有望与核酸肺部递送研究结合，以应对不断突变的SARS-CoV-2其抗病毒药物研发。

图2. NATAC分子体外降解靶标RNA并抑制SARS-CoV-2假病毒感染。图片来源：Angew. Chem.

北京大学药学院硕士研究生苏晓璇和博士研究生马闻箫为本文的共同第一作者，汤新景教授为本文的通讯作者。该研究获得国家自然科学基金委、国家重大新药创制专项等项目资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Efficient Inhibition of SARS-CoV-2 Using Chimeric oligonucleotides through RNase L Activation

Xiaoxuan Su, Wenxiao Ma, Di Feng, Boyang Cheng, Qian Wang, Zefeng Guo, Demin Zhou, Xinjing Tang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202105942

导师介绍

汤新景

https://www.x-mol.com/university/faculty/59465