SARS-CoV-2基因组中的RNA G-四链体（G4）被视为潜在抗病毒靶点，但其真实折叠状态与调控机制始终模糊。
近日，西北农林科技大学侯锡苗团队在Advanced Science发表题为An ATP-Driven N Protein–DDX21 Molecular Switch Dynamically Controls SARS-CoV-2 RNA G-Quadruplex Heterogeneity的研究文章。该研究结合 ensemble 生物物理与单分子FRET，系统绘制了SARS-CoV-2 RNA G4的异质性折叠景观，并揭示病毒N蛋白与宿主解旋酶DDX21构成一个ATP驱动的分子开关，动态“开闸”或“关闸”G4结构。
从“静态结构”到“动态景观”：SARS-CoV-2 G4远比想象中复杂
研究团队用生物信息学工具扫描SARS-CoV-2正负链，获得52个候选PQS，去冗余后最终确认30条能形成RNA G4，其中大多数为平行拓扑，也有部分呈现杂合或非经典特征。这些G4的Tm跨度极大：约60%为低稳定（38–50°C），30%为中等稳定（50–65°C），而353、359和25197三条序列Tm超过65°C，359甚至达到76°C。这说明SARS-CoV-2 G4并非均一结构，而是一组热力学性质迥异的动态元件。
在离子调控方面，研究发现了非经典机制。Mg²⁺在低K⁺条件下能显著提升Tm，并随K⁺升高逐渐减弱，呈现“层次稳定模型”：K⁺奠定基础稳定性，Mg²⁺则额外压缩构象空间。更关键的是，Mg²⁺还显著提高了构象转变的动力学能垒。
对比高稳定的359-G4和中稳定的1574-G4，可以看到两种极端行为：359-G4表现出高度刚性；而1574-G4在所有盐条件下都呈现宽而多峰的FRET分布，并存在静态、慢速阶梯式跃迁、快速连续波动三类动态行为。这说明SARS-CoV-2 G4可以同时充当“稳定结构支架”和“高度响应性结构模块”，而Mg²⁺是压缩这一异质景观的关键调控者。
N蛋白“稳住”G4，DDX21“打开”G4
病毒N蛋白是SARS-CoV-2基因组最主要的RNA结合蛋白之一，对359-G4具有纳摩尔级高亲和力，且对RNA G4有明显偏好。细胞实验进一步表明，N-mCherry与Cy5标记的病毒G4在HEK293T细胞质puncta中共定位。smFRET显示，加入N蛋白后，359和1574的FRET分布均右移并变窄，1574从异质群体转为较均一的高FRET状态，动态性显著降低。这与HIV-1 NC等“解链型”核衣壳蛋白相反，说明SARS-CoV-2 N蛋白更像G4的分子伴侣，主动促进并稳定折叠。
与之相对，宿主DEAD-box解旋酶DDX21对359-G4表现出强ATP依赖的解构活性：无ATP时几乎无影响，加入ATP后FRET分布明显左移，稳定G4被重塑为部分折叠的动态群体。有趣的是，DDX21对本身已高度异质的1574-G4几乎没有净效应，尽管其结合亲和力同样很高。这说明DDX21的选择性不在于“结合谁”，而在于“能改变谁”——它优先重塑那些刚性、过度稳定的G4。
ATP驱动的N-DDX21分子开关：一场“拉锯战”
N蛋白稳定G4，DDX21在ATP驱动下解构G4，两者如何协同？FCS实验首先证明N与DDX21在溶液中存在直接物理互作。在体外重构体系中，无ATP时，N-DDX21复合物对359和1574的稳定效果与N蛋白单独作用相同，N蛋白占主导；加入ATP后，系统转向G4去稳定模式，DDX21解旋活性占优。双链RNA对照实验进一步显示，N蛋白促进链退火，DDX21则ATP依赖地解旋，两者共存时N蛋白在ATP条件下仍能压倒DDX21对双链的解开——这与G4底物上的行为截然相反，说明N-DDX21并非通用RNA重塑模块，而是G4特异的调控开关。
模型与意义：G4作为“能量敏感的结构检查点”
作者提出模型：SARS-CoV-2 RNA G4在细胞内并非固定结构，而是处于完全折叠G4、部分折叠中间体、茎环等替代构象的动态平衡中。N蛋白招募DDX21至特定G4位点，形成分子开关：当ATP充足时，DDX21解构G4“路障”，允许病毒RNA快速合成与翻译；当ATP匮乏（如细胞应激或感染晚期），N蛋白稳定作用占优，暂时“刹车”，保护基因组完整性。这一框架将病毒RNA结构调控与宿主能量代谢状态直接耦合，提出G4可作为“能量敏感的结构检查点”。同时，N蛋白与DDX21均能发生相分离，未来值得验证相分离是否为此调控提供局部富集环境。该研究不仅刷新了对SARS-CoV-2 G4的认知，也为靶向G4-蛋白互作界面的抗病毒策略提供了新思路。
西北农林科技大学已毕业硕士郑亚婷、翟立言为论文共同第一作者，侯锡苗教授为通讯作者。工作得到了中科院物理所陆颖研究员和北京师范大学李辉教授的大力帮助。
原文链接： https://doi.org/10.1002/advs.77748
侯锡苗教授团队的研究围绕RNA结构与RNA结合蛋白、RNA解旋酶及生物分子凝聚等方向，综合运用蛋白质生化、单分子荧光、结构生物学及细胞生物学等技术，解析RNA结构调控的分子机制。现团队诚聘博士后1–2名，欢迎对RNA生物学、RNA结构与生物物理研究感兴趣的青年学者加入！
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