从核糖体碰撞到病毒复制：研究揭开RNA病毒劫持宿主翻译的新路径

病毒复制从来不只是“复制自己的RNA”这么简单。它还必须改变宿主细胞的蛋白质合成体系，让有限的核糖体、能量和原料更多地服务于自己。过去，人们通常把程序性核糖体移码（programmed ribosomal frameshifting，PRF）理解为RNA病毒压缩基因组、调节病毒蛋白比例的一种编码策略。

但近日，《Cell》的研究报道“Programmed ribosomal frameshifting triggers translational stress to promote viral replication”，提出了一个更值得关注的解释：PRF不仅改变病毒蛋白怎么翻译，还可能主动触发宿主的整合应激反应（integrated stress response，ISR），压低宿主蛋白质合成，从而为病毒复制创造更有利的环境。

PRF原本只是“多写几个蛋白”的办法吗？

RNA病毒面临一个基本限制：基因组很小，却需要编码足够多的蛋白。

程序性核糖体移码正是解决这一问题的重要方式。正常情况下，核糖体沿着mRNA以三个核苷酸为一个密码子向前读取。但在某些特殊RNA序列上，核糖体会发生一个核苷酸的“错位”，进入新的阅读框（reading frame），从而在同一段RNA上产生不同的蛋白产物。

SARS-CoV-2就是典型例子。它的移码位点位于ORF1a和ORF1b之间，后者编码包括RNA依赖的RNA聚合酶Nsp12在内的重要复制蛋白。这里存在一个复杂的RNA假结（pseudoknot）以及滑移序列（slippery site），核糖体经过时会短暂停顿，并可能发生移码。

过去研究重点往往放在一个问题上：移码效率是多少，它如何决定病毒蛋白的比例？

这项研究却换了一个角度：

答案比预期更复杂。

只放进一小段病毒RNA，细胞就开始“应激”

研究人员首先没有直接研究完整病毒，而是把SARS-CoV-2最核心的PRF序列单独放入细胞。

作为对照，他们破坏RNA假结结构，构建了ΔL1突变体。结果很明确：完整PRF结构能够维持较高的移码活性，而破坏假结后，移码显著下降。

但更重要的是细胞本身发生了什么。

RNA测序显示，与ΔL1相比，完整PRF序列引起了382个差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs）的变化。其中197个上调基因进一步进行通路分析后，呈现出与harringtonine、emetine等翻译抑制剂相似的表达特征。

也就是说，仅仅表达这一小段病毒RNA，就已经让细胞表现出了“翻译受到压力”的分子特征。

随后，研究人员检测了整合应激反应。

结果发现，完整PRF序列能够明显促进eIF2α磷酸化并升高ATF4，而典型内质网应激通路中的ATF6和XBP1并没有出现相同程度的激活。进一步逐个干预4种可以磷酸化eIF2α的激酶——GCN2、PERK、PKR和HRI——只有抑制GCN2能显著削弱这一反应。

这意味着一条重要链条开始浮现：

病毒感染后的第2小时，GCN2已经启动

仅靠人工表达一段RNA还不够。更关键的问题是：完整病毒感染时，这条通路是否真的存在？

研究人员感染Calu3肺上皮细胞后，对感染后0、2、6、10和24小时进行了连续观察。

结果显示了一个非常清楚的时间顺序。

在感染后2小时（2 h post-infection，2 hpi），GCN2已经开始活化，而且几乎与Nsp12开始表达同步，同时出现eIF2α磷酸化和ATF4升高。

相比之下，PKR直到约10小时才明显启动，而PERK更晚，到约24小时才出现强烈活化。

这个时间差很重要。

因为它意味着GCN2并不像某些后期应激通路那样，等到大量病毒RNA、双链RNA或内质网压力累积后才被动响应。它可能在病毒复制非常早的阶段，就已经感知到了病毒翻译过程中发生的异常。

进一步看宿主翻译状态，时间关系更加清楚。

在高感染剂量下，4小时左右宿主翻译变化还比较有限；10小时已经出现明显抑制；24小时则接近全面的翻译关闭（translational shutoff）。

使用GCN2抑制剂A92后，10小时左右的宿主翻译抑制能够被大幅恢复；但到了24小时，A92的作用已经明显减弱。

这提示宿主翻译关闭并不是一个单一机制从头持续到尾，而更像是一场不断换人的接力。

“应激”为什么没有把病毒一起饿死？

这里会出现一个看似矛盾的问题。

ISR通常会抑制蛋白质合成。如果宿主整体翻译被压低，病毒自己不是也需要核糖体吗？

问题就在于：翻译抑制并不是均匀发生的。

当GCN2被激活后，eIF2α磷酸化会抑制大量常规翻译起始过程，但ATF4等一部分转录本反而能够在这种环境下继续甚至增强翻译。

SARS-CoV-2还有另一件工具——Nsp1。它可以直接干扰宿主mRNA进入核糖体，而病毒RNA则具有一定逃逸能力。

研究显示，单独表达PRF序列只能造成相对温和的翻译抑制；单独表达Nsp1也会抑制翻译；但两者共同存在时，效果明显增强，可以接近完整病毒感染时观察到的状态。

因此，更合理的理解不是病毒简单地“关闭所有翻译”，而是：

宿主大量常规蛋白合成受到抑制，而病毒复制所依赖的翻译程序仍然能够运行。

关键的可能不是“移码”，而是核糖体“堵车”

这项研究中最值得仔细推敲的一点，是研究人员继续拆解了PRF的具体结构。

他们构建了多种突变体，让核糖体在假结之前停止、在假结附近停止，或者破坏滑移序列。

结果出现了一个很有启发性的现象：

某些已经基本不能发生移码的构建体，只要仍然能够让核糖体在完整RNA结构附近停顿，依然可以激活GCN2。

反过来，如果破坏假结，使核糖体不再形成相同程度的停顿，即使RNA序列仍在那里，GCN2激活也会明显减弱。

因此，从机制上看，直接触发信号的事件可能并不是“核糖体最终有没有成功移码”，而是：

研究人员进一步用RNase I处理后观察到，表达完整PRF结构的细胞积累了具有核酸酶抗性的双核糖体（disome）。更直接的是，在双核糖体组分中，完整PRF RNA相对于ΔL1对照富集了约60倍。

换句话说，那里确实发生了明显的核糖体拥堵。

这一点也让“程序性核糖体移码”这个名字变得有些耐人寻味。

更意外的是：经典传感器ZAKα竟然不是必需的。

核糖体碰撞并不是什么全新的细胞事件。

过去研究已经发现，发生核糖体碰撞后，ZAKα可以感知异常核糖体状态，并进一步触发应激信号。因此，最自然的推测是：病毒PRF造成碰撞，然后通过ZAKα激活GCN2。

但研究结果并非如此。

敲除GCN1后，PRF诱导的GCN2激活明显受到影响；但敲除ZAKα后，这条通路依然能够运行。

研究人员于是继续寻找“缺失的一环”。

他们利用RNA pull-down结合质谱，在完整PRF RNA周围找到35个显著富集蛋白。随后进行siRNA筛选，IGF2BP3、PSMD7、PSMC5、UPF1和DRG1的降低都能削弱eIF2α磷酸化。

进一步排除高细胞毒性的PSMD7、PSMC5，以及会直接影响移码效率的UPF1后，最后留下两个核心候选：

更细致的实验显示，两者作用并不相同。

敲低IGF2BP3后，GCN2几乎无法正常结合PRF RNA；而降低DRG1并不会明显阻断GCN2的募集。

因此研究人员提出：IGF2BP3更像是帮助GCN2到达核糖体碰撞位点的因子，而DRG1可能参与后续的PRF特异性激活过程。

而且这种分工并不限于病毒。

紫外线、谷氨酰胺缺乏或anisomycin造成的核糖体压力同样依赖IGF2BP3；相比之下，DRG1在这些一般性应激中的作用较弱，却在PRF相关应激中格外重要。

这暗示细胞可能并不是只有一种“核糖体碰撞传感器”，而是存在针对不同核糖体状态的多套识别机制。

SARS-CoV-2不是特例。如果这套机制只存在于SARS-CoV-2，它可能只是某一种病毒的特殊策略。

于是研究人员又检查了HIV-1和西尼罗病毒（West Nile virus，WNV）。

结果显示，类似机制再次出现。

HIV-1感染Jurkat细胞后，约24小时可以观察到GCN2和eIF2α磷酸化，48小时出现更明显的ATF4激活；使用A92抑制GCN2后，病毒复制受到明显抑制。

WNV则更像SARS-CoV-2：感染后约2小时即可出现早期GCN2激活。

在WNV实验中，A92对病毒复制呈剂量依赖性抑制，计算得到的IC50约为1.037 μM，而CC50高于12 μM。

更重要的是，无论HIV-1还是WNV，只要破坏能够造成核糖体停顿的关键RNA二级结构，GCN2-ISR激活都会明显下降。

这使研究的含义从“一种冠状病毒的特殊机制”，扩展到一个更广泛的可能性：

值得关注的，不只是一个新的抗病毒靶点。

从药物开发角度看，这项工作自然会让人想到GCN2、IGF2BP3、DRG1，甚至病毒PRF结构本身。

研究中，无论药理抑制GCN2，还是降低GCN2、IGF2BP3或DRG1，都可以不同程度削弱病毒复制；GCN2抑制作用还在Delta、Omicron BA.1、JN.1等不同SARS-CoV-2变异株以及人支气管上皮气液界面培养体系中得到验证。

但现在就把GCN2称为一个成熟的抗病毒药物靶点，仍然太早。

GCN2本身是宿主重要的应激调控蛋白，广泛参与氨基酸缺乏、代谢压力和细胞稳态。长期或全身抑制它会产生什么后果，并不能由这些体外实验回答。A92在这里首先是一种机制研究工具，而不是已经证明安全有效的抗病毒药物。

该研究也明确列出了几个局限：研究使用了缺失Spike的SARS-CoV-2 replicon，其动力学与真实感染并不完全一致；由于PRF本身就是病毒复制的重要组成部分，很难把“破坏PRF直接降低病毒适应性”和“关闭ISR导致病毒复制下降”彻底分开；出于生物安全原因，多种移码突变主要在最小报告系统中验证，而没有直接构建进完整活病毒；IGF2BP3和DRG1究竟如何在分子层面激活GCN2，也仍需进一步研究。

一次“移码”，暴露了病毒利用宿主的新方式。

这项研究最有意思的地方，或许并不只是发现了“GCN2有利于病毒复制”。

它改变了我们理解PRF的方式。

过去，PRF主要属于“病毒如何编码蛋白”的问题；现在，它开始进入另一个层面——病毒RNA自身的结构，能够塑造核糖体的物理状态，而核糖体状态又可以成为细胞信号。

RNA假结让核糖体停顿，核糖体发生碰撞，IGF2BP3、DRG1和GCN1参与识别和传递信息，GCN2被激活，eIF2α磷酸化，宿主整体翻译下降，而病毒获得更有利的复制环境。

从一段RNA二级结构，到核糖体碰撞，再到整个细胞翻译体系被重新安排，这条路径把病毒学、RNA生物学、核糖体质量控制和细胞应激反应连接在了一起。

更值得继续关注的问题是：细胞原本用于发现翻译异常、保护自身的应激系统，究竟有多少已经被病毒转化成了复制工具？

这可能比“病毒怎样躲过免疫系统”更进一步——它提示我们，某些病毒并不只是逃避免疫反应，而是在利用宿主原本用于维持稳态的信号系统，为自己的复制重新分配资源。