2025年8月7日，清华大学基础医学院向烨课题组与山西医科大学曹济民团队合作在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志在线发表了题为“Structural insights into polymerase-catalyzed FAD capping of hepatitis C virus RNA”的研究论文。该研究利用X射线晶体学技术，揭示了丙型肝炎病毒（HCV）RNA 5′端合成FAD帽的分子机制（图1），为HCV 防治提供了新的理论补充。
图1 HCV的RNA聚合酶NS5B催化RNA 5'端加FAD帽的分子机制示意图。NS5B将FAD作为起始核苷酸从头起始（de novo initiation）过程中，RNA模板、FAD和下一个准备进入的核苷酸占据了NS5B的酶活性位点；催化作用产生二核苷酸引物FAD-C（primed-initiation）并诱导构象变化导致priming element（PE）从活性中心移出，活性空腔变大，过渡到RNA延伸状态（elongation），继续合成以FAD作为帽结构的RNA。
丙型肝炎病毒（Hepatitis C virus, HCV）可引起急、慢性丙型肝炎，以及肝细胞癌1。到目前为止，全世界有超过1.5亿人感染HCV 2，并且每年有300万至400万HCV 感染新发病例。多数HCV感染者早期无明显症状，但病毒会在几乎沉默状态下持续损害肝脏，并导致肝硬化、肝癌等严重后果。每年全球HCV相关死亡人数约50 万3， HCV也被称为“沉默杀手”。HCV是一种单股正链RNA病毒 (+RNA)，属于黄病毒科丙型肝炎病毒属。最近的一项研究表明六种不同基因型HCV的负链RNA（-RNA）5’末端存在FAD帽结构，而特定基因型HCV的正链RNA（+RNA） 5’末端也存在FAD帽结构。FAD帽可帮助HCV RNA逃逸RIG-I介导的先天免疫识别4，这很可能是HCV隐匿感染的主要原因。
HCV基因组RNA的复制依赖于其编码的非结构蛋白5B（NS5B）。NS5B与HCV +RNA的3′端结合，启动互补链HCV -RNA的合成。合成的HCV -RNA随后作为NS5B的模板，生成新的HCV +RNA，从而实现病毒基因组的复制。HCV NS5B 可无需外源引物从头合成其基因组RNA。在体内NS5B启动的从头合成过程中，RNA模板以及启动核苷酸和进入的核苷酸被容纳在活性位点，合成初始二核苷酸引物。随后核苷酸的掺入会诱导NS5B发生构象变化，使引发元件PE推出活性中心，并促使NS5B转变为持续延伸状态持续复制。在体外复制实验中，NS5B 可直接利用FAD而不能利用单个核苷酸启动HCV RNA的合成4。
本研究解析了HCV RNA聚合酶NS5B以FAD作为起始核苷酸从头合成RNA（de novo initiation）、引物引发（primed-initiation）以及延伸状态下（elongation）的复合物结构。通过对这些复合物结构分析，以及一系列生化研究证据表明引发元件PE的β loop中氨基酸残基M447和Y448直接与FAD的核糖醇基团相互作用，是NS5B起始阶段特异性识别FAD的关键元素。此外，FAD的腺嘌呤基团与HCV 基因组3′端的尿嘧啶形成碱基互补配对，是其被添加在不同基因型负链RNA（-RNA）5’末端的决定因素。进一步分析发现，在HCV RNA加FAD帽的延伸阶段，NS5B的C端linker中的W550与FAD的异咯嗪环相互作用，稳定了5′端的FAD帽结构。这种相互作用进一步诱导了产物链的构象变化，形成了一种尚未被观察到的、独特的RNA双链延伸中间态，利于RNA双链以不对称的运动模式进行延伸。本研究不仅为开发靶向HCV 的新型治疗药物提供了理论指导，同时由于FAD非典型帽有帮助逃避宿主免疫的功能，这一性质也可能被应用于开发新型mRNA 修饰方法，助力mRNA疫苗及治疗性药物的发展。
该项工作由山西医科大学教授/山西医科大学-清华大学医学院前沿医学协同创新中心研究员王德平主导，在清华大学团队协助下完成，这一成果的发表是清华大学协同创新模式助力地方高校实现高水平基础科研突破的典范。清华大学基础医学院/北京生物结构前沿研究中心向烨教授和山西医科大学细胞生理学教育部重点实验室曹济民教授、周鑫教授为该论文的通讯作者，山西医科大学细胞生理学教育部重点实验室王德平教授和2019级直博生赵蓉为该论文的共同第一作者。上海同步辐射光源和清华大学中国蛋白质科学中心（北京分中心）提供了设备支持。该项目得到了山西医科大学-清华大学基础医学院、中国科学技术部、国家自然科学基金、山西省应用基础研究计划、北京生物结构前沿研究中心以及清华北大生命科学联合中心的资助。
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https://www.nature.com/articles/s41467-025-62609-w
参考文献：
1. Thrift, A. P., El-Serag, H. B. & Kanwal, F. Global epidemiology and burden of HCV infection and HCV-related disease. Nat Rev Gastroenterol Hepatol 14, 122-132 (2017).
2. Webster, D. P., Klenerman, P. & Dusheiko, G. M. Hepatitis C. Lancet 385, 1124-1135 (2015).
3. World Health Organization. Hepatitis B. WHO https://www.who.int/news-room/fact-sheets/ detail/hepatitis-c (2023)).
4. Sherwood, A. V. et al. Hepatitis C virus RNA is 5'-capped with flavin adenine dinucleotide. Nature 619, 811-818 (2023).
