RNA结构与病毒-宿主界面：分子模拟与免疫逃逸的新视角

本综述系统阐述了病毒RNA结构在病毒-宿主界面中的核心作用，重点揭示了病毒通过模拟宿主RNA（如tRNA、dsDNA）和利用内部核糖体进入位点（IRES）、类tRNA结构（TLS）等分子机制，劫持宿主转录（Pol II）和翻译（eIF、ITAF）机器，并逃逸天然免疫识别（如RIG-I、MDA5、PKR、OAS1）的策略，为抗病毒药物研发提供了新靶点。

　　

病毒与宿主之间的相互作用是一场持续不断的分子战争，其战场遍布从细胞表面到细胞核的各个角落。近年来，研究发现结构化的RNA元件在这一过程中扮演着关键角色，它们不仅是病毒入侵的“导管”，更是分子“模仿大师”和“嵌合体”，通过模拟宿主已有的RNA-蛋白质和RNA-RNA界面，劫持或颠覆宿主的各种生命机器。

病毒RNA结构在病毒-宿主战争的前线

病毒RNA是病毒基因组的核心形式或基因表达与复制的中间体。病毒RNA与宿主蛋白的界面是其中最多样化和研究最深入的，因为病毒倾向于利用这些界面来利用和改造宿主蛋白，而非编码自身蛋白。这些界面也为宿主检测病毒感染和激活免疫应答提供了重要途径。

病毒RNA对宿主转录机器的控制

以丁型肝炎病毒（HDV）为例，其仅拥有1.7 kb的单链RNA基因组，却巧妙地利用宿主RNA聚合酶II（Pol II）来复制自身的RNA。结构研究表明，Pol II的核酸结合裂隙通常用于结合宿主双链DNA（dsDNA），但同样可以结合HDV的双链RNA（dsRNA），进行RNA指导的RNA合成。这种Pol II与HDV dsRNA的相互作用，与Pol II在正常宿主转录过程中与DNA-RNA杂交体的相互作用几乎完全相同。有趣的是，HDV dsRNA模仿宿主dsDNA以招募Pol II的方式，与宿主调控性6S RNA通过模拟宿主启动子dsDNA来隔离细菌RNA聚合酶（RNAP）的策略如出一辙，这暗示了病毒和宿主RNA在采用结构模拟dsDNA策略上的进化趋同。除了Pol II，RNA聚合酶I（Pol I）和可能还有Pol III也参与了HDV抗原omic链在核仁中的复制，体现了HDV操纵多套宿主转录机器的复杂能力。

HDV复制通过滚环机制进行，其基因组和抗原omic链都由位于两者中的HDV核酶进行自我切割，成熟为单位长度的单体。这些核酶采用嵌套双假结核心来催化RNA切割。有报道称，抗原omic版本的HDV核酶与宿主甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）相互作用，从而增强了切割效率，这可能代表了HDV治疗的一个新靶点。

病毒RNA对宿主翻译机器的控制

除了劫持转录机器，病毒还采用多种策略利用宿主翻译机器，将宿主资源优先用于病毒蛋白的生产。其中，内部核糖体进入位点（IRES）是一种广泛使用的机制。IRES允许核糖体绕过常规的5′帽依赖性扫描机制，直接在宿主或病毒mRNA内部的特定起始位点开始翻译。根据其RNA结构和起始机制，病毒IRES通常分为四类。

I型IRES主要存在于小RNA病毒科，如脊髓灰质炎病毒（PV）。其IRES包含多个茎环结构域（II–VI），为真核翻译起始因子（eIF）和IRES反式作用因子（ITAF）提供结合位点，对组装43S前起始复合体至关重要。其中，茎环IV（SL IV）与ITAFs（如多聚rC结合蛋白2，PCBP2）的结合最为关键。

II型IRES发现于口蹄疫病毒（FMDV）和脑心肌炎病毒（EMCV）等病毒中。其延伸的十字形结构域III对招募核糖体至关重要，而结构域IV则通过一个Y形三向连接区（J-K-St区）结合eIF4G。蛋白质如PTB通过结合结构域II和/或V来稳定RNA构象，协助核糖体组装。

III型IRES主要存在于黄病毒科（如丙型肝炎病毒，HCV）和一些小RNA病毒中。它们结构更紧凑，仅需要eIF2和eIF3来识别起始密码子，并能直接结合40S核糖体亚基。冷冻电镜（cryo-EM）结构揭示了HCV IRES通过其结构域II与核糖体蛋白uS7、uS11和uS25结合，诱导40S亚基发生构象变化以促进翻译起始。此外，IRES的²⁶⁶GGG²⁶⁸三核苷酸与18S rRNA扩展片段7（ES7）中的¹¹¹⁶CCC¹¹¹⁸三核苷酸之间的吻式环相互作用进一步稳定了复合物。

IV型IRES是其中最紧凑的一类，发现于双顺反子病毒的基因间区（IGR），如蟋蟀麻痹病毒（CrPV）和以色列急性麻痹病毒（IAPV）。它们仅长约200个核苷酸，其独特之处在于能够不依赖任何eIFs直接招募40S和60S核糖体亚基。它们通过一簇假结（PKI–PKIII）和茎环结构，广泛采用tRNA结构模拟来访问核糖体上的多个位点。结构分析表明，其PKI形成一个模拟tRNA-mRNA相互作用的结构，从而进入80S核糖体的A位。这些IRES甚至可以在核糖体内易位，模拟翻译延伸过程，从而完全规避对起始因子的需求。IAPV IRES还增加了在不同阅读框之间切换的灵活性，增加了其mRNA的编码容量。

病毒类tRNA结构对宿主翻译相关系统的控制

类tRNA结构（TLS）是病毒采用的另一种广泛策略。最初在芜菁黄花叶病毒（TYMV）基因组的3′末端发现，它们可以被氨酰-tRNA合成酶（aaRS）识别并氨基酰化，从而招募翻译因子，促进病毒mRNA的翻译。宿主的长链非编码RNA（lncRNA），如MALAT1和NEAT1，也拥有对其3′末端加工和成熟至关重要的TLS，并通过RNase P和RNase Z的作用释放出新的类tRNA分子（如mascRNA）到细胞质中调节细胞代谢。

根据其携带的氨基酸，病毒TLS可分为TLS-Val、TLS-His和TLS-Tyr等类型，每种都具有特征性的二级结构，与经典tRNA和彼此之间都存在显著差异。例如，TYMV的TLS-Val围绕一个假结化的受体茎形成L形结构。其假结设计很可能是为了满足拓扑学要求，以便在保持与aaRSs结构兼容性的同时，将TLS的5′和3′端与病毒RNA的其余部分连接起来。氨基酰化的TLS可以与真核延伸因子1α（eEF1A）和GTP形成复合物，进而将其带到核糖体，并与结合在5′帽上的eIF4F相互作用，从而形成闭环结构促进病毒mRNA翻译。

更复杂的TLS-Tyr发现于雀麦花叶病毒（BMV）等病毒中。其结构包含七个螺旋茎，构象灵活。与酪氨酰-tRNA合成酶（TyrRS）的结合会诱导TLS发生显著的构象变化，包括B3+E结构域发生约90°的旋转，以与受体茎对齐，从而减少空间冲突，实现高效结合。这些发现表明TLS可以发生动态重排以结合宿主蛋白。

多宿主系统的操纵大师：类病毒和奥贝利斯克

类病毒是一类独特的、紧凑的、可移动的类病毒RNA病原体，最初在植物中发现。它们完全由小的（250–400核苷酸）、环状RNA分子组成，没有蛋白质或包膜。尽管结构相对简单且缺乏蛋白质编码能力，类病毒可以在植物中自主复制、移动和传播，引起严重疾病。它们劫持、利用和操纵广泛的细胞系统，包括宿主转录机器（如Pol II）、RNA加工、连接和降解酶（如Dicer样内切酶）、RNA运输和 trafficking蛋白（如Virp1）以及宿主翻译、基因表达控制和先天免疫系统。

最近，宏转录组和微生物组分析发现了许多类病毒样RNA，包括奥贝利斯克（obelisks）。这些RNA在包括人类口腔和粪便样本在内的许多微生物组中被检测到，突出了它们的生态和进化重要性。值得注意的是，人类口腔正常微生物组的一部分——血链球菌（Streptococcus sanguinis），最近被确定为特定奥贝利斯克（obelisks-S.s）的宿主。某些奥贝利斯克含有锤头状核酶，表明它们可能通过类病毒机制进行复制。

宿主对病毒RNA的检测与防御

在细胞中积累的病毒RNA是病毒感染的标志，因为它们表现出与宿主RNA不同的模式。与宿主RNA相比，病毒RNA往往没有帽子结构、带有5′三磷酸、转录后修饰较少，并且包含长段的近乎完美配对的双链RNA（dsRNA）片段。这些病原体相关模式被一系列宿主RNA传感器识别，如视黄酸诱导基因I（RIG-I）样受体（RLRs，包括RIG-I、黑色素瘤分化相关蛋白5（MDA5）和LGP2）。长的、线性的、错配较少的dsRNA片段是通常激活RLRs以及其他先天免疫传感器（如内体中的Toll样受体3（TLR3）、寡腺苷酸合成酶（OASs）和蛋白激酶R（PKR））的共同特征。

RIG-I识别短dsRNA或ssRNA上的5′三磷酸末端，这是某些病毒RNA的标志性特征。其C端结构域（CTD）主要利用静电相互作用识别5′三磷酸末端，并与dsRNA双链体进行额外接触，引发构象变化释放CARDs与线粒体抗病毒信号蛋白（MAVS）相互作用，启动下游免疫信号。MDA5则以ATP依赖的方式，协同地沿着长的dsRNA组装成丝状结构，这些丝状体刺激I型干扰素合成和CARD簇集以激活MAVS。其CTD起到基于长度的dsRNA传感器作用，以区分病毒RNA和宿主RNA，防止过早激活。缺乏CARDs的LGP2通过其CTD结合dsRNA末端来微调RIG-I反应或稳定MDA5丝状体，从而调节RIG-I和MDA5的活性。

TLR3利用一个由亮氨酸重复序列（LRRs）组成的马蹄形胞外结构域（ECD）识别dsRNA，驱动受体二聚化，招募适配器蛋白TRIF，触发下游信号通路，激活干扰素调节因子3（IRF3）和核因子κB（NF-κB），产生I型干扰素和促炎细胞因子。其内体或溶酶体定位使其能够区分病毒RNA和自身RNA。

OAS/RNase L通路是先天免疫应答的另一个关键组成部分。人类主要有三种OAS：OAS1、OAS2和OAS3。被dsRNA激活后，OAS酶产生2′-5′连接的寡腺苷酸（2-5A），随后激活RNase L，导致RNA降解并抑制病毒复制。OAS1识别大约17-18个碱基对的最小dsRNA长度以实现有效结合和激活，它利用几个战略定位的碱性残基与dsRNA磷酸骨架和 minor groove中的核糖2′-OHs结合。OAS2和OAS3被更长的dsRNA片段激活，OAS3优先响应长度超过50个碱基对的片段。长度的变化可能有助于调整对外源dsRNA检测的灵敏度和不同病毒感染的激活阈值。

PKR是一种dsRNA依赖性激酶，可以识别细胞质中的病毒RNA并激活或放大宿主防御反应。PKR包含一个具有两个dsRNA结合基序（dsRBMs）的N端调节域和一个C端激酶域（KD），其 dimerization导致自身磷酸化和激活。当其结合长度超过约35个碱基对的共线dsRNA片段时，PKR会发生二聚化和自身磷酸化。随后，PKR磷酸化真核起始因子2（eIF2）的α亚基，阻止eIF2B回收eIF2，导致全局性的帽依赖性翻译起始抑制，从而减少病毒mRNA的翻译和复制。PKR的活性受到严格调控，例如宿主ncRNA nc886和腺病毒病毒相关（VA）RNA I可作为其竞争性抑制剂。

作为多用途防御对抗系统的病毒RNA

许多病毒编码的多功能结构化ncRNA可以操纵多种宿主抗病毒通路。腺病毒VA-I RNA就是一个主要例子，它是一种高丰度的病毒RNA，通过与宿主天然免疫、RNA加工和RNA运输系统的直接相互作用来靶向多个宿主系统。其结构特征类似于dsRNA，使其能够与PKR强烈结合但阻止其激活。其尖锐弯曲的“V”形结构，与PKR激活dsRNA的通常共线结构截然不同，能将PKR锁定在单体、RNA结合但失活的状态。VA-I RNA也能激活OAS1，这取决于其3′ CUUU尾的存在。除了颠覆宿主抗病毒免疫系统，腺病毒VA-I和VA-II还是病毒microRNA（称为mivaRNAs）的前体，通过宿主Dicer加工产生。VA RNA在细胞中的巨大丰度也可能竞争性抑制Dicer介导的RNA加工和抗病毒免疫。最后，由于其是在细胞核中转录的，它们的大量核输出也可能压倒exportin-5在mRNA输出中的可用容量。

宿主RNA结构在病毒-宿主界面的新兴作用

与我们对病毒RNA与众多宿主蛋白相互作用的全面了解相比，关于宿主RNA在这些界面中的作用所知甚少。然而，最近的研究显著揭示了宿主非编码RNA，特别是tRNA，如何被病毒利用来执行必需的和调节性的病毒功能。

宿主tRNA被用作逆转录的引物

所有已知逆转录病毒都使用宿主tRNA作为逆转录引物。对于HIV-1，宿主tRNA^Lys3是首选引物。为了充当引物，该tRNA的3′末端18个核苷酸必须从其tRNA上的互补链中释放出来，与HIV引物结合位点（PBS）形成扩展的碱基配对。tRNA^Lys3的剩余部分经历剧烈的重折叠过程，形成几个新茎，其拓扑结构与经典tRNA折叠不同。宿主tRNA^Lys3与HIV-1 RNA的有效退火以及功能性逆转录起始复合体（RTIC）的组装，需要HIV-1核衣壳（NC）蛋白的分子伴侣活性。

宿主tRNA被协同作为病毒复制的调节因子

HIV-1还利用一组约10种宿主tRNA（包括tRNA^Lys3引物）来调节病毒颗粒组装的时间和Gag蛋白的定位。Gag的N端基质（MA）结构域通过其N末端的豆蔻酰基团将Gag多蛋白锚定在膜上，并通过一个高碱性区（HBR）结合tRNA或膜磷脂PIP2（磷脂酰肌醇4,5-二磷酸），且使用相同的界面。MA上四个战略定位的HBR残基（R22, K27, K32, W36）识别tRNA T环和D环的定义性结构特征，特别是tRNA肘部的G19-C56三级碱基对。由于MA上的tRNA结合位点与其PIP2结合位点大部分重叠，tRNA通过遮蔽HBR并可能影响豆蔻酰基团的暴露，来竞争性抑制Gag与膜的结合和定位。这种tRNA介导的Gag向质膜迁移的时间延迟，同步了病毒蛋白合成、病毒基因组包装和其他必需的病毒过程以组装新生病毒颗粒。它还可能赋予膜靶向特异性，以减少Gag与非计划细胞内膜的意外结合。破坏这种tRNA-Gag相互作用会导致Gag过早、强烈地结合膜，损害HIV-1复制和病毒颗粒组装。

结论与展望

理解病毒与宿主之间分子相互作用的起源和持续进化，对于对抗现有和新发病毒性疾病、预防未来大流行至关重要。近期RNA测序、RNA修饰图谱和冷冻电镜RNA结构分析技术的进步，有助于阐明结构化RNA在病毒-宿主界面中扮演的关键角色。通过分析病毒劫持从转录到翻译等宿主系统的分子界面，我们发现其与未感染细胞中已存在的宿主界面存在广泛的结构和分子相似性。病毒RNA模拟dsDNA以结合宿主RNAP、免疫蛋白和核输出蛋白；它们模拟tRNA以招募tRNA氨酰化酶、翻译因子和核糖体。有趣的是，这种RNA结构模拟在宿主细胞内部本身已被广泛采用。

病毒似乎经常从现有的细胞内界面中借