专家点评Cell | 娄智勇/饶子和/朱兰团队发现冠状病毒复制模板循环与RNA加帽的协同机制

点评 |高福（ 中国科学院院士 ），钟南山（中国工程院院士）

RNA病毒是一种极其简单但高效的生命形式。在生命周期中，RNA病毒利用有限的基因组，编码几个到十几个蛋白质，即可完成高效扩增，这要求病毒基因组必须能够高效的循环使用。同时，转录形成的新生RNA 5’ 端带有三磷酸基团，一旦释放到宿主细胞中，会迅速激活宿主细胞的先天免疫反应，因此必须立即对其 5’ 端的三磷酸基团进行加工，形成 “帽”（Cap）结构，从而逃逸宿主天然免疫的攻击。虽然基因组的高效重复使用、RNA加帽是RNA病毒生命过程中最核心、最基础的生物学事件，但自从100多年前发现第一种RNA病毒至今，这两个过程协同发生的机制一直是病毒学领域的关键未解之谜。

围绕一个蛋白质分子机器，机制研究能够做到多深入？2025年10月22日 ，清华大学娄智勇教授 /饶子和院士、 中国医学科学院 北京协和医院朱兰教授 团队 与广州国家实验室、南开大学等单位合作在Cell上发表了文章Structural basis for the concurrence of template recycling and RNA capping in SARS-CoV-2，揭示了冠状病毒转录复制过程中RNA模板循环和RNA加帽的共发生机制，重构了病毒领域对RNA病毒转录复制过程的认知。这是团队在冠状病毒转录复制机制的研究中，自2020以来在

Science、Cell

围绕冠状病毒转录复制过程，研究团队 在过去5年中 先后阐明了 “核心转录复制复合体”（C-RTC）【1】、“延伸复合体”（E-RTC）【2】、“加帽中间态复合体”【3,4】和“Cap0加帽 复合体 ”【5】的工作机制 。在这些工作的基础上，研究团队设计了多种全新核酸骨架，成功捕捉到转录复制复合体“加帽起始前状态”（Pre-Capping Initiation, Pre-CI）和“加帽起始后状态”（Post-Capping Initiation, Post-CI）两个超级复合体，阐明了RNA模板循环和RNA加帽起始过程协同发生的分子机制（图1）。

图1 . 冠状病毒“模板循环”和“RNA加帽起始”共发生机制的模型

在该工作中，研究团队首先设计合成了具有3 9 bp配对双链的RNA骨架，利用高活性的新冠病毒解旋酶和其他转录复制酶，共同组装成“加帽起始前状态”复合体（图2）。该复合体包含四个延伸复合体（E-RTC），其中两个延伸复合体形成“背靠背”二聚体形态，再由两个二体以“头对头”的模式形成四聚体形态的超级复合体。在超级复合体中，由聚合酶nsp 12 催化位点延伸出来的“模板-产物”双链RNA，被处于“头对头”位置的延伸复合体中的解旋酶解开为单链，并进一步将模板RNA传递至“头对头”位置的延伸复合体中的聚合酶催化反应中心，从而实现了模板RNA的循环再利用。

图2 . （a）组装加帽起始前状态复合体所使用的RNA骨架。（b）加帽起始前状态复合体的四聚体全貌。（c）加帽起始前状态复合体中“模板-产物”双链RNA的解旋。

在“加帽起始前状态”复合体中，另一关键性发现是团队首次确定了冠状病毒解旋酶3’-5’的解旋极性，明确了解旋的关键结构单元，展现了由ATP水解驱动的双链RNA解旋动态过程（图3）。在冠状病毒研究领域，自从2 000 年第一次确定其解旋酶以来，一直认为其解旋极性是5 ’-3’ ，但由于和许多认知相冲突，一直备受争议。这项工作利用结构生物学手段，直观、明确的表明冠状病毒解旋酶的解旋方向，终结了对这一问题的争论。

图3 . 左图，新冠病毒解旋酶的关键结构单元。右图，ATP水解驱动的双链RNA解旋模式图。

随后，研究团队设计合成了具有非配对双链的RNA骨架，通过在体系中加入nsp 9 蛋白，捕捉到“加帽起始后状态”的复合体（图4）。加入nsp 9 蛋白后，复合体由加帽起始前状态的四聚体形态，转变为加帽起始后状态下的二聚体形态。最关键的一点是，RNA产物链5 ’ 端三磷酸集团，和nsp 9 蛋白N端氨基酸共定位于聚合酶NiRAN结构域的催化位点。在以往的研究中，一般认为冠状病毒的加帽过程由nsp 13 、nsp 12 NiRAN结构域、nsp 14 、nsp 16 四个酶分子先后催化完成。2 022 年，研究团队发现了由nsp 9 RNAylation介导的RNA加帽的全新机制【4】，在该机制中，nsp 12 NiRAN结构域可以不依赖nsp 13 ，独立起始RNA加帽过程，但这两种加帽机制到底哪种更接近真实生命过程还存在争论。这项成果明确表明，新生RNA产物链5 ’ 端不会释放到溶液中、并由nsp 13 进行初步加工，而是直接进入nsp 12 NiRAN结构域，通过 nsp9 RNAylaion介导的方式起始RNA加帽过程，更新了对冠状病毒加帽过程的认知。也再一次以无可辩驳的结构生物学证据证明了团队发现的NiRAN催化、以GTP为底物的RNA加帽机制，终结了围绕NiRAN加帽机制的争论。

图4 . （a）组装加帽起始后状态复合体所使用的RNA骨架。（b）加帽起始后状态复合体全貌。（c）加帽起始后状态复合体中RNA产物链5 ’ 三磷酸集团与nsp 9 蛋白共同定位与NiRAN结构域催化中心。

该成果重构了对病毒转录复制过程的认识体系，结束了对冠状病毒解旋酶极性、加帽机制等问题长达25年的争论。成果 的获得得益于研究团队在冠状病毒转录复制领域中 2 0 余年的长期积累。自2020年以来，研究团队系统研究了新冠病毒转录复制过程，阐明了 转录复制复合体多个状态 三维结构，为认识病毒的生命过程、发展高效抗病毒药物提供了关键信息，还对新冠病毒对女性生殖道感染，以及新冠病毒灭活疫苗接种对母胎影响方面进行了深入研究，先后在

Science

Cell

Nature

Communications

JACS

清华大学娄智勇教授 、 饶子和院士 和中国医学科学院北京协和医院的朱兰教授 为共同通讯作者 ， 清华大学的闫利明博士 、南开大学的黄羽岑博士、南京医科大学的葛基博士，以及清华大学的刘奕潇、高山、谭丽萍、刘璐等为共同第一作者，研究工作得到南开大学、上海科技大学和清华大学冷冻电镜平台的支持。

原文链接：https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)01090-6

专家点评

高福 （ 中国科学院院士 ）

人类对冠状病毒转录复制认识的飞跃

冠状病毒是能够引起人、畜、禽类传染病的重要病原体。冠状病毒是非常古老的病毒，但是直到本世纪初连续出现的“非典”、MERS和新冠三场疫情，人类才真正认识到它是全球生物安全和人类健康的重大威胁。

冠状病毒是目前人类已知基因组最大、最复杂的RNA病毒，是病毒学基础研究最重要的模式病毒。其基因组一共编码了1 6 个非结构蛋白，也就是复制酶蛋白，这些蛋白质在病毒复制过程中，必须按照严格的时间和空间顺序，形成一系列复杂、动态的分子机器 − “转录复制复合体”，才能确保病毒的高效复制。对冠状病毒转录复制过程的研究，不仅能够帮助人类 深入 认识 病毒 的 生命 过程，研发抗病毒药物，而且对如此复杂的动态过程开展研究，也是生命科学最前沿、最具挑战性的领域之一。然而，由于技术方法的限制，人类对冠状病毒转录复制过程的认识还非常有限，特别是病毒生命周期各个阶段中转录复制复合体如何变化、不同过程之间如何高效衔接等等，还存在大量科学认识上的空白。

子和老师团队自2 003 年“非典”开始，一直在不断探索冠状病毒的转录复制过程。2 003 年我还在牛津大学工作，“非典”时期专门到子和老师实验室参与他们的科技攻关，和当时的实验室成员一起夜以继日工作，非常感动。我也非常高兴看到子和老师团队成为目前国际上冠状病毒转录复制领域的领军队伍，他们在国际上第一次明确界定了冠状病毒转录复制过程的各个阶段，发现了各阶段转录复制复合体的组成形式，阐明了包括RNA合成、延伸、加帽、复制校正等一系列重要的分子机制。他们在“核心转录复制复合体”【1】、“延伸复合体”【2】、“加帽中间态复合体”【3,4】和“错配校正 复合体 ”【5】的 成果，颠覆了许多病毒学领域的认识，尤其是他们发现的由RNAylation介导的全新RNA加帽机制，更是对自然生命现象认识的一个突破，展现了新的科研范式下结构生物学的强大效能。

在这些工作的基础上，研究团队的最新成果揭示了冠状病毒转录复制过程中RNA模板循环和RNA加帽的共发生机制，是病毒学领域对RNA病毒转录复制动态过程认识的一次飞跃。其重要意义主要体现在以下几点。

病毒 基因组模板的循环使用是病毒得以高效增殖的重要机制，与此同时，释放出来的产物RNA必须立即进行“加帽”，防止新生RNA降解，帮助其逃逸宿主天然免疫攻击。但这两个最基础的生物学事件是如何协同发生，一直没有明确答案，其主要困难在于如何设计合理的RNA骨架，在体外呈现病毒转录复制的“近真实”过程。该成果通过 设计全新的核酸骨架，成功捕捉到转录复制复合体“加帽起始前状态”和“加帽起始后状态”两个超级复合体，阐明了RNA模板循环和RNA加帽起始过程协同发生的分子机制，是整个病毒学领域中第一次对这个动态过程有了清晰的认识。

该成果修正了过去3 0 年对冠状病毒解旋酶解旋极性的认识。自2 000 年在HCoV- 229 E中第一次确定冠状病毒的解旋酶以来，一直认为冠状病毒的解旋极性是5 ’-3’ ，与属于同一解旋酶超家族的其他成员的极性刚好相反，并且与病毒生命过程中双链RNA解旋的基本过程存在冲突。这项工作利用结构生物学手段，直观、明确的表明冠状病毒解旋酶的解旋方向，对这一争论给出了明确结论，是冠状病毒领域的一项奠基性成果。

传统认为冠状病毒的加帽过程由nsp 13 、nsp 12 NiRAN结构域、nsp 14 、nsp 16 四个酶分子先后催化完成。研究团队在2 022 年首次发现了由nsp 9 RNAylation介导的RNA加帽机制【4】。作为一个首次发现的生物学现象，是否代表真是生命过程中的状态，具体的发生、发展机制是否还需进一步修正，还需要进一步验证。这项成果明确表明，新生RNA产物链直接进入nsp 12 NiRAN结构域，通过 nsp9 RNAylation介导的方式起始RNA加帽过程，再一次以坚实的结构生物学证据证明了团队发现的NiRAN催化、以GTP为底物的RNA加帽机制，终结了围绕NiRAN加帽机制的争论。

第四，NiRAN结构域在所有已知的冠状病毒和各型突变株中高度保守，特别是其催化位点几乎完全保守。这项成果进一步明确了NiRAN催化的加帽过程的关键位点，为针对该位点的抗病毒药物研发提供了关键基础。

该成果重构了对病毒转录复制过程的认识体系，颠覆了诸多冠状病毒领域的传统认识，是病毒学领域对RNA病毒转录复制动态过程认识的一次飞跃。需要关注的是，研究团队的这些工作是以结构生物学为手段，发现了诸多全新生物学现象，表明结构生物学在冷冻电镜等新技术的帮助下，从擅长于对已知生物学过程进行观测和解释的学科，发展成为能够发现新生物学现象的学科，未来也必将在生命科学研究中发挥更加重要的作用。

专家点评

钟南山（中国工程院院士）

“向科学要答案”-新靶点、新机制研究是对抗传染病的科学基石

人类与传染病的斗争是长期的。 基础研究是科技创新的源头，是认识自然、适应 自然 和改造自然的知识源泉， 人类在与传染病的斗争中要不断从病原体的基础研究中寻求答案。

冠状病毒是引发人类重大传染病的重要病原体。在过去 20 年的时间中，发生了非典、MERS和新冠三次由冠状病毒导致的传染病疫情。当前，冠状 病毒 突变株 不断 变化， 一些 以往未知的冠状病毒不断被发现。深入研究冠状病毒的生命周期，发现在各型突变株、各种新发现的冠状病毒中高度保守的药物靶点，开发能够有效应对各种具有潜在风险病毒的广谱抗病毒药物，需要我们每一位相关领域的科学家持之以恒的坚守研究下去。

抗病毒药物是人类对抗由病毒引发的传染病的重要手段，但病毒在药物压力下会通过突变逃逸药物的抑制，因此抗病毒药物研发要求不断从病毒生命周期中发现新的靶点，研发新的抗病毒药物，采用多靶点药物联用的方式进行临床治疗。以治疗丙型肝炎病毒（HCV）的抗病毒药物为例，针对其聚合酶RNA合成过程的抗病毒药物 − 索非布韦，虽然能够清除丙型肝炎病毒的感染，依旧在一些临床病例中出现耐药突变，因此在临床治疗中将其与针对丙型肝炎病毒蛋白酶的多种抗病毒药物联用，有效避免耐药突变株的发生。目前针对冠状病毒的抗病毒药物主要针对病毒的蛋白酶和聚合酶等，如奈玛特韦、瑞德西韦等，在临床使用中的药效还有待进一步提高，而且已有研究报道了耐药突变的出现。深入研究冠状病毒复制过程的分子机制，不断发现新的药物靶点和药物作用机制，是应对未来可能出现的新的冠状病毒导致疫病的重要基础研究布局。

子和教授 团队 自2003年SARS爆发后，一直在冠状病毒转录复制机制领域 深耕 ，至今已 有2 0 余年 。2003年SARS疫情爆发期间，我当时即已了解子和教授研究组 在国际上率 先解析了SARS-CoV主蛋白酶的三维结构【11】，并 研发 了一系列高效抑制剂【12】，他们 当 时在转录复制复合体上的研究【13】至今仍被国际 同行 认为是冠状病毒转录复制复合体机制研究的“开篇之作”。 此后，他们 系统研究了新冠病毒转录复制过程，明确界定的病毒转录复制周期的各个阶段，清晰展示了各阶段 转录复制复合体 的组装模式，深入阐明了RNA合成、加帽、复制校正等一系列关键的分子机制，先后在包括Science、Cell等的期刊上发表了系列研究论文【1-8】，是国际上新冠病毒转录复制研究中最为系统、引用最多的工作之一。

在此项最新的成果中 ，研究团队在以往深厚的学术积累的基础上，成功组装成冠状病毒转录复制复合体“加帽起始前状态”（Pre-Capping Initiation, Pre-CI）和“加帽起始后状态”（Post-Capping Initiation, Post-CI）两个超级复合体，阐明了RNA模板循环和RNA加帽起始过程协同发生的分子机制。第一次 确定了冠状病毒解旋酶 3’-5’ 的解旋极性 ，明确了解旋的关键结构单元，展现了由ATP水解驱动的双链RNA解旋动态过程，终结了冠状病毒领域对双链RNA解旋极性的争论。同时，他们的工作还明确表明新生RNA不会利用传统理论中的经典RNA加帽机制，再一次以无可辩驳的生物学证据证明了团队发现的NiRAN催化、以GTP为底物的RNA加帽机制【4】。这些成果不但修正了过去3 0 余年冠状病毒领域的诸多基本概念，而且NiRAN加帽酶在各种冠状病毒中高度保守，为发展广谱抗冠状病毒的“新药物”提供了“新靶点”、“新机制”，是冠状病毒研究领域的一项里程碑式的突破性工作。

习近平总书记曾指出，“我国是一个有着14亿多人口的大国，防范化解重大疫情和重大突发公共卫生风险，始终是我们须臾不可放松的大事”，“人类同疾病较量最有力的武器就是科学技术”。近期，我国呼吸道传染病发生形势复杂多变，坚持“向科学要答案、要方法”，持续加强对病原体基础研究和抗病毒手段研发的投入，才能做到“以奇胜、以正合”，让我们的防御手段始终走在疫病发生之前。

制版人： 十一

参考文献

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5. Yan L.M., Yang Y.X., Li M.Y., Zhang Y., Zheng L.T., Ge J., Huang Y.C., Liu Z.Y., Wang T., Gao S., Zhang R., Huang Y.Y.Y., Guddat L.W., Gao Y., Rao Z.H., and Lou Z.Y., Coupling of N7-methyltransferase and 3′-5′ exoribonuclease with SARS-CoV-2 polymerase reveals mechanisms for capping and proofreading.Cell, 2021. 184(13): p. 3474-+.

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12. Yang, H., et al., Design of wide-spectrum inhibitors targeting coronavirus main proteases.PLoS Biol, 2005. 3(10): p. e324.

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