论文解读 | 新冠病毒复制的翻译调控基础：5’端非编码区的结构与功能

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自2019年底出现以来，新冠病毒（SARS-CoV-2）已对全球公共卫生构成严重威胁。病毒侵入宿主细胞后，其基因组RNA（gRNA）与亚基因组RNA（sgRNAs）需高效翻译，以合成病毒蛋白并组装新的病毒颗粒。已知mRNA的5’ 端非编码区（5’-UTR）是调控翻译起始的关键区域，但新冠病毒具体通过何种分子策略利用5’-UTR促进自身蛋白翻译，其详细机制仍未完全解析。

为了阐明这一机制，来自中南大学湘雅医院的尹继业研究员、崔佳佳助理研究员、湖南省肿瘤医院动物实验中心的罗晨辉主任，在本刊发表题为“Specific RNA structures and elements in the 5’-UTR of the SARS-CoV-2 genome and subgenomes are critical for its infection”的文章；该文的第一作者为詹焱博士。该研究旨在揭示5’-UTR内的特定RNA结构、功能元件及其与宿主蛋白的相互作用，如何共同促成病毒的有效翻译。

1. 5’-UTR是驱动病毒蛋白翻译的核心序列

研究团队首先将SARS-CoV-2的gRNA和9条sgRNA的5’-UTR序列插入报告基因载体中进行活性检测。结果发现，所有这些5’-UTRs都能显著提升下游报告基因的表达水平，证实它们确实具有驱动病毒蛋白表达的能力。有趣的是，翻译增强能力与5’-UTR的长度并不完全成正比，暗示其中存在更复杂的调控过程。

2. 5’-UTR的稳定二级结构提示存在非帽依赖的翻译机制

生物信息学分析显示，病毒gRNA与ORF6 sgRNA的5’-UTR具有高GC含量与极低的自由能（MFE < －50 kcal/mol），预示着它们可形成异常稳定的二级结构（图1A）。此类结构通常会抑制经典的帽依赖翻译，强烈暗示病毒可能采用非帽依赖的翻译机制以适应细胞内环境。

图1 5’-UTR RNA 结构和功能元件在 SARS-CoV-2 感染中的作用

3. 预测和鉴定IRES与uORFs

除了二级结构，研究团队还系统探索了5’-UTR中的其他调控元件。在gRNA以及ORF6、ORF7b和M的sgRNA中预测到了IRES元件。IRES如同一个“后门”，允许核糖体直接绕过mRNA的5’端帽子结构，在内部位点启动翻译，这为“非帽依赖翻译”提供了结构基础。此外，团队人员还在这些UTR中发现了8个uORFs。功能实验表明，它们对下游翻译呈现差异化调控：部分uORF（如gRNA-uORF2/3）起抑制作用，突变后翻译增强；而另一些（如gRNA-uORF1/4）则起促进作用，突变后翻译减弱（图1B–D）。这表明uORFs构成了一个精细的翻译调控网络。

4. 实验证实5’-UTR驱动非帽依赖的翻译

通过药物抑制（Torin1, 4EGI-1）阻断经典帽依赖翻译通路后，由gRNA及多个sgRNA（如ORF7b、ORF3a、E等）5’-UTR驱动的翻译活性显著提升（图1E、F）。这证明了这些病毒的RNA能够利用IRES等机制，在帽依赖翻译被关闭时，依然高效地进行蛋白合成，这可能是病毒对抗宿主防御、确保自身复制的关键策略。

5. 5’-UTR劫持宿主蛋白，形成协同互作网络

病毒是严格的细胞内寄生者，其复制过程需依赖宿主实现。为了揭示病毒如何挟持宿主为其服务，研究团队通过RNA Pull-down联合质谱分析技术，绘制了病毒5’-UTR与宿主蛋白的相互作用图谱（图1G–J），成功鉴定出上百种与不同5’-UTR结合的宿主蛋白，其中显著富集了与翻译相关的蛋白，如核糖体亚基、翻译起始/延伸因子等（图1K）。这不仅印证了SARS-CoV-2劫持宿主蛋白翻译自身蛋白的结论，还发现这些UTR招募了参与RNA加工、剪接和蛋白运输的宿主蛋白，揭示病毒通过5’-UTR系统性地劫持了宿主细胞的多种机器，以保障自身复制。与其它冠状病毒相比，研究团队鉴定出了 39 个高度保守的核苷酸，这些元件在冠状病毒中具有潜在的功能重要性（图1L）。

该研究系统阐明了SARS-CoV-2如何利用其5’-UTR的特殊二级结构、IRES元件、uORFs以及宿主蛋白互作网络，协同调控病毒蛋白的翻译过程。这项工作从翻译调控层面深化了对新冠病毒高复制能力的理解。更重要的是，该研究揭示了病毒的5’-UTR是一个功能密集且相对保守的靶标区域。针对这些关键的RNA结构或宿主-病毒互作界面开发新型小分子抑制剂，或设计靶向性的调控工具，有望为未来应对新冠病毒及其它相关病毒的药物研发提供全新的思路和方向。