首次揭示了新冠病毒通过与宿主mRNA互作诱发炎症风暴产生的详细分子机制

  新冠病毒(Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2，简称SARS-CoV-2)是引起新型冠状病毒肺炎的病原体。自2019年12月以来，SARS-CoV-2在全球肆虐，严重威胁世界经济增长和人民生命健康。据统计，SARS-CoV-2已在全球范围内感染了至少7亿人，导致近7百万人死亡。SARS-CoV-2隶属冠状病毒属，是一种单链正义RNA病毒，其基因组RNA长度约30 Kb。研究表明，SARS-CoV-2感染会抑制机体的I型和III型干扰素反应，同时又会促进细胞因子的大量产生，从而诱发炎症风暴，导致患者从轻症向重症和危重症转换，最终引起多器官衰竭和死亡。目前，SARS-CoV-2诱发炎症风暴的分子机制依然不明。

  2023年12月20日，中国科学院生物物理研究所薛愿超课题组、中国医学科学院北京协和医学院王健伟课题组、以及中国科学院武汉病毒研究所周溪课题组合作在 Molecular Cell 杂志在线发表了题为 SARS-CoV-2 RNA stabilizes host mRNAs to elicit immunopathogenesis 的研究论文，首次揭示了SARS-CoV-2 RNA通过与宿主mRNA互作诱发炎症风暴产生的详细分子机制。

  为了从RNA-RNA互作的角度探究炎症风暴的分子机制，薛愿超团队及合作者利用前期开发的RNA原位构象测序技术RIC-seq，全景式绘制了SARS-CoV-2在感染细胞和病人肺部组织内的RNA-RNA互作图谱。该图谱不仅包含了SARS-CoV-2分子内的RNA-RNA互作，还包括了SARS-CoV-2 RNA与宿主RNA的分子间互作(图1)。这两类互作被分别用于重构SARS-CoV-2病毒RNA的原位高级结构以及鉴定其宿主内的靶标RNA。

  图1. RIC-seq捕获SARS-CoV-2感染细胞内 RNA-RNA互作的流程。

  基于RNA-RNA互作图谱，研究人员发现SARS-CoV-2 RNA结构在宿主细胞内发生显著变化，并与宿主mRNA发生广泛的相互作用，进而形成RNA双链体(RNA duplex)。随后，研究人员利用单分子荧光原位杂交技术，证明了SARS-CoV-2 RNA可与NFKBIZ、KMT2E等靶标mRNA在细胞质中共定位。由于SARS-CoV-2倾向于结合在宿主mRNA的3’ UTR区域，研究人员进而利用全转录组稳定性测序技术检测了SARS-CoV-2是否影响这些宿主mRNA的稳定性。意外发现病毒感染后，与SARS-CoV-2 RNA互作的宿主mRNA稳定性大幅提高，导致包括NFKBIZ、KMT2E等靶标mRNA的半衰期显著延长。为了证明RNA双链体的重要性，研究人员还利用多种实验手段，通过引入突变以破坏或者回补SARS-CoV-2 RNA与宿主mRNA的碱基互补配对，证明了RNA-RNA互作对宿主mRNA稳定性以及病毒复制的重要性。

  为了进一步理解SARS-CoV-2如何调控宿主mRNA的稳定性，研究人员利用RNA双链体免疫共沉淀和质谱分析，结合CLIP-seq技术验证，发现RNA结合蛋白YBX3可结合在SARS-CoV-2 RNA与宿主mRNA 3’ UTR区形成的双链体。利用siRNA敲低YBX3之后，宿主mRNA的稳定性以及SARS-CoV-2病毒RNA的复制水平显著降低。这些研究结果提示YBX3直接参与了SARS-CoV-2对宿主mRNA的稳定性调控。

  有意思的是，在数百个mRNA稳定性显著升高的转录本中，研究人员发现敲低NFKBIZ之后，SARS-CoV-2感染细胞内的I型和III型干扰素表达显著升高，而IL6、IL8等众多炎症因子的产生则被显著抑制。这一结果表明SARS-CoV-2可能通过稳定宿主细胞中NFKBIZ 的mRNA，促进其产生更多的蛋白质，进而调控宿主的免疫失衡，从而诱发炎症风暴的形成。

  综上所述，该研究首次揭示了SARS-CoV-2 RNA通过与宿主mRNA相互作用以增加宿主mRNA稳定性，诱发炎症风暴产生的详细分子机制(图3)，为新冠病毒防治提供了潜在的重要靶点。此外，该研究也为理解其它致病性RNA病毒如何通过RNA-RNA相互作用导致疾病发生提供了新的研究范式。

  图3. SARS-CoV-2 RNA稳定宿主mRNA以诱发炎症风暴。