一、简介
新冠肺炎NMR联合会是一个由NMR专家组成的国际合作组织。目前，该组织正在积极开展研究，通过利用NMR波谱来确定SARS-CoV-2及其蛋白质的核糖核酸（RNA）结构。在疫情初期，联合会的首批成果之一是发现SARS-CoV-2中的一种蛋白质会与病毒RNA形成微滴。在随后的几个月里，这一发现使科学家能够创建实验来研究RNA与蛋白质（称为核衣壳蛋白或N蛋白）之间的相互作用。
二、新冠肺炎NMR联合会简介
新冠肺炎NMR联合会由Harald Schwalbe教授于2020年3月在德国法兰克福的歌德大学发起，并迅速发展成为一个国际性的合作组织。今天，来自世界各地的科学家正基于开放的科学原则进行合作，以独特的方式利用NMR波谱对SARS-CoV-2展开研究。由歌德大学的Schwalbe教授及其团队负责协调该项目的宗旨与共同的科学目标。核心团队包括来自达姆施塔特和法兰克福的五位教授和初级小组负责人，以及来自法兰克福生物磁共振中心（BMRZ）的九位高级科学家。该联合会的总体目标是通过联合各方力量，尽快在新冠肺炎研究中取得有意义的科学成果。
应Schwalbe教授的邀请，Markus Zweckstetter教授于2020年底在发表SARS-CoV-2研究成果之后加入了该联合会。作为由50多位NMR专家构成的国际合作的一员，德国哥廷根的马克斯·普朗克多学科科学研究所的Zweckstetter教授及其团队一直在探索Covid-19隐藏的作用机制。这些研究人员借助于世界上仅有的几台1.2 GHzNMR仪器之一，试图阐明SARS-CoV-2病毒中核衣壳蛋白的结构和相互作用，并以此确定有前景的候选药物靶点。
三、Covid-19的致病机理
Covid-19疫情的病原体是严重急性呼吸综合征2型冠状病毒（SARS-CoV-2）。对SARS-CoV-2的许多早期研究都集中于所谓的“刺突蛋白”，因为它参与同宿主细胞的通讯。但随着对SARS-CoV-2的理解不断深入，核衣壳蛋白（又称N蛋白）所起的关键作用逐渐变得清晰，因为它不仅保护RNA不被降解，而且使转录机制能够聚集，从而增强其复制能力。
SARS-CoV-2的病毒膜围绕着螺旋状核衣壳，其中病毒基因组被核衣壳蛋白包裹。SARS-CoV-2的核衣壳蛋白在感染细胞内以很高的水平表达，提高了病毒RNA转录的效率，这对病毒复制至关重要。德国神经退行性疾病中心（DZNE）和马克斯·普朗克研究所的科学家们现在已经揭示，当病毒将其内部释放到宿主细胞中时，这种蛋白质和RNA可以共同凝结成微小的液滴。
继续的研究表明，RNA诱导SARS-CoV-2核衣壳蛋白的协同液-液相分离，其中病毒液滴漂浮在细胞内的液体培养基中。然而，这种液滴的形成并非为冠状病毒所特有。这种由蛋白质和其它分子组成的动态隔室自然存在于细胞内部，它们被用作储存场所和反应室。Zweckstetter教授及其团队的研究表明，新冠病毒也利用了这些可能性，而其它病原体同样可能发生这种情况。
与其体外的相分离能力一致，蛋白质在细胞中与应激颗粒（通过液-液相分离形成的细胞质RNA/蛋白质颗粒）相关联，并由病毒调节以使复制效率最大化。这一过程产生高密度蛋白质/RNA缩合物，并通过吸收SARS-CoV-2的RNA依赖性RNA聚合酶复合物，为病毒RNA提供有效的转录机制。因此，由小分子或生物制剂对RNA诱导的核衣壳蛋白相分离的抑制，可以对SARS-CoV-2复制循环中的关键步骤形成干扰。
四、确定潜在的药物靶点
Zweckstetter教授及其团队认为，这些发现可能为药物开发提供了起点。得益于合作，世界各地的许多团体现在都在研究N蛋白，以评估其作为新冠肺炎治疗靶点的潜力。例如，通过干扰N蛋白微滴的形成，病毒RNA可能变得更易受到外部损伤，其复制的可靠性也更低。
N蛋白研究的另一个方面是探索激酶在磷酸化N蛋白的某些残基中的作用，因为这些酶可能是小分子抑制剂的潜在靶点。Zweckstetter教授的团队还发现，在人体中自然存在的SRPK1激酶，会化学修饰核衣壳蛋白并影响病毒液滴的形成。
五、NMR 波谱带来的认识
联合会的科学家们使用NMR波谱和其它方法研究该项目，以检测分子的结构和动力学特性。Zweckstetter小组的研究涉及了多台从600 MHz到950 MHz的高场NMR波谱仪，这些仪器是对蛋白质进行高灵敏度研究的核心。现在，该小组可以使用哥廷根的1.2 GHzNMR仪器，他们认为，与现有的950 MHz仪器相比，该仪器将三维和更高维度NMR实验的分辨率提高了至少两倍。这将有助于在大的时间和长度尺度上进一步研究生物分子标记的结构动力学特性。1.2 GHzNMR仪器使用高温超导体作为内部线圈，使用常规低温超导体作为外部线圈，从而有可能打造出28.2特斯拉的均匀磁场。
凭借哥廷根NMR科学手段的助力，Zweckstetter教授将NMR与其它结构生物学技术相结合，从而获得SARS-CoV-2病毒内部工作机制的更完整的视图。例如，使用高分辨率NMR、分子动力学模拟和相分离实验进行进一步表征，有助于查明潜在药物如何与N蛋白相互作用，以及RNA复制是否会受到影响。
NMR为研究生物分子在溶液中的运动方式，以及其执行不同活动时采取的不同构象提供了基础。它也有助于实时可视化分子，获得关于它们如何发挥功能及被酶修饰的关键洞察。高场NMR的能力与冷冻电子显微镜等技术形成对比，冷冻电子显微镜需要冷冻样品，因此只能提供分子作用的快照。
该团队将分子动力学模拟与1H、13C和15N核的NMR波谱相结合，利用NOESY、HSQC和全相关谱（TOCSY）技术，对SARS-CoV-2展开了研究。图1所示为所获得的深度认识。
图1：使用NMR研究SARS-CoV-2中核衣壳（NCP）蛋白A182–S197区域的特性，该区域含有高比例的丝氨酸和精氨酸（已知可结合RNA和蛋白质）。（A）化学位移分析（蓝）与分子动力学模拟（红）一致，即该区域中的残基非常灵活，在R189旁具有小型α-螺旋结构倾向。（B）在多糖醛酸（一种简化的RNA）存在的条件下重新运行模拟表明，精氨酸残基和RNA磷酸基团之间存在大量的分子间接触，其中以R189最大。这与R189是A182–S197区域中唯一未在大多数已知SARS-CoV-2菌株中突变的残基的观察结果一致（灰条）。
依据Creative Commons许可（CC BY 4.0，http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)，转载自参考文献[1]。
六、未来的步骤
本项研究工作的目标是改善对新冠肺炎患者的治疗。由于病毒的不断适应和进化，产生了再次感染的风险。为了应对其带来的威胁，联合体计划继续提供数据，以探明病毒的内部工作原理，并致力于开发新的更好的药物来治疗新冠肺炎。
新冠肺炎NMR项目有着超出病毒范围的进一步影响。尽管合作在科学中是非常重要的，但研究小组之间的固有竞争限制了合作的范围。通常而言，科学家可能会与一、两个其他团队合作，但新冠肺炎联合体表明，数十个研究团队可以在全球范围内展开合作的潜力。汇集专业知识、设备和试剂的能力可以加快研究进展。建立大型科学合作以应对重大挑战可能是取得快速进展的一种补充方式，甚至可能是更有力的方式。
参考文献
Savastano A, Ibanez de Opakua A, Rankovic M and Zweckstetter M, Nucleocapsid protein of SARS-CoV-2 phase separates into RNA-rich polymerase-containing condensates, Nature Communications, 2020, 11: 6041, https://doi.org/10.1038/s41467-020-19843-1
