历时六年！南京农业大学合作在植物学顶级期刊《Nature Plants》发表突破性研究成果

3月5日，南京农业大学陶小荣教授团队联合中国科学院生物物理研究所王祥喜研究员团队，在全球植物学顶级期刊《Nature Plants》在线发表突破性研究成果，首次解析番茄斑萎病毒（Tomato spotted wilt virus, TSWV）RNA复制酶全长三维结构，为靶向抗病毒新农药研发开辟全新路径。这项历时六年的研究攻克了植物病毒学领域复制酶结构解析的重点难题，揭示了复制酶激活及其双靶点抑制的分子机制，使人们得以窥见植物病毒遗传物质复制机器的“庐山真面目”。

植物病毒作为一类新的病原体被发现已有一个多世纪，当前已成为危害全球农业生产的一类重要病原物，每年造成的经济损失超过600亿美元，目前还没有有效的抗植物病毒药剂。植物病毒百分之八十以上是RNA病毒，它们都编码一个高度保守的RNA复制酶催化合成病毒的基因组RNA，是病毒生命周期中遗传物质复制的关键蛋白酶。因此，病毒RNA复制酶是领域内公认的非常理想的抗病毒药剂靶标。尽管国际病毒分类委员会正式认定的植物病毒种类迄今已超过2100种，但尚无一例植物病毒完整复制酶蛋白的三维结构信息。原子水平上对植物病毒复制激活与调控机制等具体过程认识的不足，严重制约了植物病毒靶向药物的设计与研发。

番茄斑萎病毒RNA复制酶激活及其双靶点抑制机制模式图

“巧妇难为无米之炊，我们终于逮到这个大家伙去下锅了”，论文共同第一作者李佳副教授回忆起当时获得TSWV RNA复制酶全长蛋白时仍非常兴奋。在超过2100种的植物病毒中，TSWV是最具经济重要性和科学重要性的十大植物病毒之一，能侵染85科1000多种植物，其编码的RNA复制酶（也称作L蛋白）分子量巨大，全长蛋白高达330 kDa，是目前已知所有植物病毒中最大的RNA复制酶之一，表达极为困难。研究人员通过对核酸序列进行密码子优化、促溶标签摸索以及筛选不同表达系统等，最终利用昆虫Hi-five细胞成功纯化获得了毫克级别的高纯度蛋白样品，克服了330 kDa全长蛋白的表达瓶颈。借助冷冻电镜技术，团队成功捕获了复制酶未结合底物的失活态、结合病毒RNA后的激活态以及结合抗病毒药物后的抑制态结构特征，绘制出首张完整植物病毒复制酶三维图谱。

结构信息显示TSWV RNA复制酶结构域组成相对目前已知的人和动物病毒复制酶更为复杂，总体可参考流感病毒聚合酶划分为三个主要区域：N端的核酸内切酶区域、中央核心区的RNA聚合酶区域以及C端包含抓帽结构域的可变区。核心区域的结构保守性揭示了植物病毒与动物病毒的共同进化起源；N端和C端结构域显著大于其它已解析的同类病毒复制酶结构域，并具有独特的结构特征。通过深度挖掘分析以及功能验证，发现了一个在所有布尼亚病毒的复制酶催化中心高度保守的新基序I，这是自2015年基于人类病毒（拉克罗斯病毒）研究发现新基序G和H以来，基于植物病毒研究再度发现新的酶活中心关键保守基序，为病毒学领域全面认识病毒RNA复制酶的结构特征提供了新的认识。

研究发现TSWV RNA复制酶催化中心保守基序F的柔性环在未结合病毒基因组RNA时处于高度无序状态，当加入病毒基因组RNA保守序列后，保守基序F可发挥“传感器”作用感知病毒基因组RNA末端的保守順式作用元件，并稳定柔性环；结构稳定后的保守基序F与保守基序I等发生相互作用，进一步作为“适配器”促进完整催化中心的形成，使复制酶处于激活状态。“我们破解了病毒自我激活的分子开关。”共同第一作者曹磊副研究员指出，病毒基因组5’末端10个碱基长度的RNA序列形成的“钩”状结构是触发复制酶激活的关键。研究还发现核苷类药物利巴韦林及其代谢物利巴韦林三磷酸盐能通过双靶点抑制机制阻断这一过程，完全抑制TSWV在植物中的复制侵染；结构与生化数据表明利巴韦林及其三磷酸盐均能特异性靶向TSWV RNA复制酶上RNA“钩”状结构结合空腔的进入通道和酶活催化中心。

“长期以来，种植抗病品种和使用杀虫剂控制传毒媒介昆虫是生产上预防病毒侵染和减少病害损失的主要手段。然而，对于已经感染病毒的植物，基本无药可用。番茄斑萎病毒RNA复制酶结构的解析填补了植物病毒复制酶结构生物学的空白。研究揭示的独特双靶点抑制机制不仅对植物病毒农药也对人和动物中的分节段负链RNA病毒抑制剂研发提供了非常重要的靶点。”论文通讯作者之一陶小荣教授介绍。目前，研究成果已申请专利，研究团队正基于结构信息以及关键靶点建立小分子化合物筛选平台，与国内多家单位开展合作研发。

南京农业大学农林生物安全全国重点实验室李佳副教授和中国科学院生物物理研究所曹磊副研究员为该论文的共同第一作者，中国科学院生物物理研究所王祥喜研究员和南京农业大学农林生物安全全国重点实验室陶小荣教授为共同通讯作者。南京农业大学博士研究生赵雅倩、硕士研究生沈静涵以及中科院生物物理所博士研究生王磊参与了本研究。荷兰瓦赫宁根大学Richard Kormelink教授、南京农业大学叶永浩教授、朱敏副教授、冯明峰博士为本研究提供了重要帮助。研究工作得到了国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目、以及江苏省自主创新基金等项目经费的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-025-01940-y

来源：南京农业大学