SARS-CoV-2ゲノムのin-vivo二次構造を網羅的に解析し、新たな制御モチーフとそのメカニズムを明らかにした

Comprehensive in-vivo secondary structure of the SARS-CoV-2 genome reveals novel regulatory motifs and mechanisms.

• Nicholas C Huston
• Han Wan
• Rafael de Cesaris Araujo Tavares
• Craig Wilen
• Anna Marie Pyle

抄録

SARS-CoV-2は、人類の健康と経済に大きな危機をもたらしたCOVID-19を引き起こすポジティブセンスRNAウイルスである。SARS-CoV-2のゲノムは、安定したRNA構造を形成する可能性があるという点で、ウイルスRNAの中でも特異な存在である。SARS-CoV-2のゲノム構造に関する我々の限られた知識は、コロナウイルスのライフサイクルのメカニズムの理解とCOVID-19 RNAベースの治療薬の開発の両方の根本的な限界である。ここでは、新しいロングアンプリコン戦略を用いて、感染細胞内でプローブされたSARS-CoV-2 RNAゲノムの二次構造を初めて決定した。ウイルスの末端に保存されている構造モチーフに加えて、構造的に柔軟なプログラムされたリボソームフレームシフト擬ノットや、多数の新規RNA構造など、新しい構造的特徴を報告している。我々の詳細な構造解析により、Orf1ab全体でよく折り畳まれたRNA構造の広範なネットワークが明らかになり、SARS-CoV-2のゲノム構造の新たな側面が明らかになり、他の一本鎖ポジティブセンスRNAウイルスとの差別化が図られた。SARS-CoV-2のRNA構造を進化的に解析した結果、SARS-CoV-2のゲノム構造のいくつかの特徴がβコロナウイルスに共通して保存されていることが明らかになった。今回発表されたSAR-CoV-2のネイティブで完全な二次構造は、複製、翻訳、パッケージングのメカニズムの研究を促進し、COVID-19に対する新しいRNA創薬標的の同定を導くロードマップとなる。

SARS-CoV-2 is the positive-sense RNA virus that causes COVID-19, a disease that has triggered a major human health and economic crisis. The genome of SARS-CoV-2 is unique among viral RNAs in its vast potential to form stable RNA structures and yet, as much as 97% of its 30 kilobases have not been structurally explored in the context of a viral infection. Our limited knowledge of SARS-CoV-2 genomic architecture is a fundamental limitation to both our mechanistic understanding of coronavirus life cycle and the development of COVID-19 RNA-based therapeutics. Here, we apply a novel long amplicon strategy to determine for the first time the secondary structure of the SARS-CoV-2 RNA genome probed in infected cells. In addition to the conserved structural motifs at the viral termini, we report new structural features like a conformationally flexible programmed ribosomal frameshifting pseudoknot, and a host of novel RNA structures, each of which highlights the importance of studying viral structures in their native genomic context. Our in-depth structural analysis reveals extensive networks of well-folded RNA structures throughout Orf1ab and reveals new aspects of SARS-CoV-2 genome architecture that distinguish it from other single-stranded, positive-sense RNA viruses. Evolutionary analysis of RNA structures in SARS-CoV-2 shows that several features of its genomic structure are conserved across beta coronaviruses and we pinpoint individual regions of well-folded RNA structure that merit downstream functional analysis. The native, complete secondary structure of SAR-CoV-2 presented here is a roadmap that will facilitate focused studies on mechanisms of replication, translation and packaging, and guide the identification of new RNA drug targets against COVID-19.