從代謝角度看冠狀病毒與宿主的相互作用

黃梓鑫,周書亭,王 哲

冠狀病毒是有囊膜包裹的單股正鏈RNA病毒,在自然界廣泛存在。冠狀病毒具有多種宿主,如人類、蝙蝠、駱駝、鳥類、牲畜和伴侶動物(以陪伴為目的而被人類在家庭及類似場所擁有的馴化動物)等[1],從而對公眾健康構成嚴重威脅。目前已發現至少7種冠狀病毒可感染人類,包括人類冠狀病毒229E(human coronavirus 229E,hCoV-229E)、中東呼吸綜合征冠狀病毒(middle east respiratory syndrome-related coronavirus,MERS-CoV)、嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome related coronavirus,SARS-CoV)、人類冠狀病毒OC43、人類冠狀病毒HKU1、人類冠狀病毒NL63及嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)[2]。冠狀病毒屬于尼多病毒目,冠狀病毒科,冠狀病毒亞科。根據早期的血清學和隨后的基因組學證據,冠狀病毒科被進一步劃分為4個屬:α冠狀病毒、β冠狀病毒、γ冠狀病毒和δ冠狀病毒[3]。目前已知,病毒已經進化出多種策略,可以重新編程受感染宿主細胞的代謝網絡,以實現病毒的快速復制并逃避宿主免疫反應。正因為病毒復制強烈地依賴于宿主細胞的代謝途徑,因此,通過藥理學方法抑制這些關鍵代謝途徑即代謝干擾,可作為一種新型的抗病毒策略。

代謝組學是一種用于測量和比較生物樣品中代謝物的豐度和變動的高通量組學方法。結合高通量分析化學和多元數據分析,代謝組學為研究代謝機制提供了一個獨特的窗口。而由于病毒通常需要密切利用和操控宿主的代謝,因此代謝組學是研究上述過程的絕佳選擇。近年來,代謝組學技術的快速革新,也為探索代謝在病毒—宿主互作過程的重要作用提供了有效支撐。例如,谷氨酰胺對牛痘病毒復制至關重要,牛痘病毒感染會改變谷氨酰胺代謝[4]。甲型流感病毒感染通過影響宿主細胞代謝途徑如嘌呤、脂質和谷胱甘肽促進自我復制[5]。除氨基酸代謝外,糖酵解、三羧酸循環和脂質代謝也在病毒復制中發揮重要作用。例如,DENV誘導了自噬調節細胞脂質代謝,釋放游離脂肪酸,利于DENV復制[6];脂質代謝也影響丙型肝炎病毒的組裝和進入[7]。沒食子兒茶素-3-沒食子酸酯通過抑制脂質合成和自噬顯著減弱豬繁殖與呼吸障礙綜合征病毒感染[8]。6-磷酸葡萄糖脫氫酶 (G6PD) 是戊糖磷酸途徑的限速酶,是細胞內氧化還原所需的 NADPH 的主要來源,流感病毒感染會降低 G6PD 的表達和活性,從而導致氧化應激和病毒復制的增加[9]。在人巨細胞病毒感染期間,需要谷氨酰胺酶和谷氨酸脫氫酶將谷氨酰胺轉化為α-酮戊二酸,而α-酮戊二酸進入三羧酸循環參與病毒復制[10]。

本文聚焦了近些年來關于冠狀病毒對宿主代謝(包括脂類代謝、中心碳代謝等)影響的國內外研究,通過識別病毒感染誘導的宿主細胞代謝重編程,不僅可以幫助我們更為深入地理解病毒與宿主的相互作用,還有助于通過靶向代謝途徑開發新型抗病毒藥物。

1 代謝在人類冠狀病毒與宿主互作中的作用

眾所周知,在過去的20年中,出現了3種人獸共患的高致病性人類冠狀病毒(Human coronavirus,HCoV):SARS-CoV,MERS-CoV,SARS-CoV-2。由于代謝調控和病毒感染有著密不可分的關系,為了深入了解病毒感染、發病機制,提出新型抗病毒策略,從代謝角度對這些高致病性HCoV進行研究已成為目前的主流。

1.1 hCoV感染期間脂質代謝的變化

1.1.1 脂質在hCoV感染宿主過程中的生物學功能 脂質在病毒生命周期的各個階段都發揮著至關重要的作用。首先,脂質可以作為細胞表面或內體上包膜和非包膜病毒的直接受體,或作為進入輔助因子[11-12]。其次,脂質和脂質合成在病毒復制復合物的形成和發揮功能過程中起到關鍵作用[13-14]。再次,脂質代謝可以為病毒復制供給能量[15]。脂質還決定了病毒蛋白在細胞中的恰當分布,以及病毒顆粒的運輸、組裝和釋放[16-17]。總之,宿主脂質合成途徑在調節病毒傳播方面發揮著不可或缺的作用。

脂質對于冠狀病毒進入、膜融合、翻譯、病理合胞體形成起著至關重要的作用。一項針對SARS-CoV2感染的宿主細胞轉錄組學研究顯示,冠狀病毒感染與脂質生物合成中的明顯代謝紊亂有關[18]。這說明冠狀病毒劫持宿主脂質生物合成以滿足自身需要。膜膽固醇在病毒進入中也起著重要作用。脂筏是富含膽固醇和鞘脂的質膜區域,包括冠狀病毒在內的許多包膜病毒,在其生命周期的不同階段都可以利用脂筏,完成細胞進入、運輸、信號傳導和細胞出芽[19]。血管緊張素轉換酶2(ACE2)作為SARS-CoV,SARS-CoV-2的膜受體,屬于一種脂筏蛋白。ACE2可被冠狀病毒刺突蛋白(S)識別,從而實現病毒的包膜融合及內吞[20]。此外,其他筏內脂類如鞘脂類和神經酰胺在病毒融合和進入細胞的過程中也發揮著重要作用,表明脂筏的完整性對于病毒入侵的重要性[21]。有學者嘗試耗盡細胞中的膽固醇,創造無脂筏環境,此舉降低了SARS-CoV和SARS-CoV-2的傳染性[22-23]。

1.1.2 hCoV對宿主細胞脂質代謝網絡的操控 目前不少證據顯示,SARS-CoV-2感染的一個基本特征是對宿主脂質代謝的操縱。脂質和脂質相關的蛋白已經被確定為感染的生物標記物,如VLDL和HDL粒子,類固醇激素和各種載脂蛋白[24]。而甘油三酯(TAG)[25]和多不飽和脂肪酸[26]的升高被認為是造成嚴重疾病的標志物。此外,代謝紊亂如肥胖、糖尿病和高血壓已被描述為嚴重疾病患者的關鍵危險因素[27]。這些觀察結果表明,在生物體水平上脂質代謝發生了系統性變化。

冠狀病毒順利完成生命周期,高度依賴于其對宿主細胞脂質組的重塑。具體來說,①hCoV重組細胞膜形成雙膜囊泡(DMV),作為病毒復制/轉錄復合物的錨定結構,由于脂質重塑和DMV形成對病毒的成功復制至關重要[13, 28-29],因此當添加抑制參與這些過程的必要酶,如胞質磷脂酶A2α,可以減少病毒的增殖[29]。②脂質可以為病毒復制提供能量,并在病毒成分的轉運以及新病毒顆粒的組裝及出芽過程中發揮重要作用[30]。有研究表明,在感染hCoV-229E或MERS-CoV后檢測到24種不同的脂質,特別是溶血磷脂和脂肪酸,其含量在感染細胞中持續升高。同時發現亞油酸和花生四烯酸的代謝軸是最受病毒感染干擾的途徑,更重要的是,外源添加LA和AA抑制了病毒的復制,表明LA-AA代謝軸是調節冠狀病毒復制的一個共同而必要的途徑[30]。最新的一項研究表明,SARS-CoV-2重組了宿主的脂質代謝,改變了409種脂質物種[31]。

1.1.3 靶向脂質及其代謝的SARS-CoV-2藥物 眾所周知,脂質在病毒穿過宿主細胞膜并復制的過程中發揮關鍵作用,同時病毒感染本身改變了脂質在宿主細胞中的正常代謝。關注脂質相關代謝途徑,從中開發抗SARS-CoV-2新療法,已成為抗病毒治療的新思路。FASN是唯一參與脂肪酸從頭合成的酶,在病毒感染后可被 IFN-I 下調,當通過藥理學抑制劑抑制脂肪酸合成酶(FASN)后顯著阻斷了包括 SARS-CoV-2 及其相關變異毒株在內的多種包膜病毒的復制和傳播[32]。人冠狀病毒感染期間,宿主細胞的固醇調解元件結合蛋白被激活,促進脂肪酸和磷脂的積累[33]。同時,該蛋白可以通過加速棕櫚酸鹽的生物合成來促進病毒蛋白的棕櫚酰化,從而穩定病毒蛋白[34]。AM-580,一種SREBP-1的抑制劑,已被證明能抑制Huh7.5細胞中的MERS-CoV[34]。冠狀病毒高度依賴膜膽固醇,這已被作為抗病毒藥物開發方向。Amiodarone作為一種降低質膜膽固醇含量的藥物,其抗病毒作用可以通過補充膽固醇來逆轉,這說明了質膜膽固醇含量的降低與抗病毒藥物作用的緊密相關性[35]。在重癥 COVID-19 患者和感染 SARS-CoV-2 的 hACE2 小鼠中,25-HC濃度很高,因此它可被視為新冠肺炎嚴重程度的風險標志[36]。最近研究表明,25-HC通過抑制膽固醇釋放阻斷病毒膜融合,降低膜膽固醇水平[37-38],表現出抑制SARS-CoV-2等hCoV感染的活性。EK1肽是一種泛冠狀病毒融合抑制劑,能夠與SARS-CoV、MERS-CoV等hCoV的七烷重復序列1(HR1)結構域結合,阻止了病毒與宿主細胞的融合和進入[39]。最近的一項研究發現,25-HC與EK1肽的結合對SARS-CoV-2和MERS-CoV假病毒(PsV)的感染具有協同作用[40]。另一種選擇性膽固醇氧化產物,27-羥基膽固醇(27-HC),也被發現其通過膽固醇的積累來改變脂筏的細胞結構,誘導內體膜組成和功能的瞬時改變,從而抑制 SARS-CoV-2 復制[41]。

1.2 hCoV感染期間中心碳代謝的變化 中心碳代謝(central carbon metabolism,CCM)包括糖酵解途徑(Embden-Meyerhof-Parnas,EMP)、磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway,PPP)以及三羧酸循環(Tricarboxylic Acid Cycle,TCA cycle)等途徑,是生物體獲取所需能量的主要來源,并為體內其他代謝模塊提供前體物質。在SARS-CoV-2爆發期間,人們注意到,新冠重癥患者糖尿病患病率顯著高于中度患癥。這暗示著,病毒感染的嚴重程度與宿主糖代謝紊亂程度之間存在某種密切關系[42]。

1.2.1 EMP 有研究顯示,細胞內葡萄糖水平的升高和糖酵解途徑促進了SARS-CoV-2感染。在COVID-19患者的支氣管肺泡灌洗單核細胞中和巨噬細胞等免疫細胞中,許多糖酵解相關基因上調,高糖酵解活性會抑制 T 細胞反應并降低上皮細胞存活率[43]。降低糖酵解活性可以認為是一個潛在的靶向治療途徑[44]。SARS-CoV-2感染誘導葡萄糖內流和糖酵解增加,糖酵解抑制劑2-脫氧葡萄糖(2-DG)抑制了SARS-CoV-2感染細胞的糖酵解,減少了病毒增殖,減輕了病毒誘導的細胞病變效應。發現在被2-DG處理過的細胞中,產生的子代病毒粒子Spike蛋白受體結合域的關鍵N-糖苷位點(N331和N343)上沒有糖基化,導致產生的缺陷子代病毒粒子感染潛能受損[45]。最近的研究表明,糖酵解的增加支持了病毒在結腸癌細胞和血液單核細胞中的復制[44,46]。而通過糖尿病藥物二甲雙胍(Metformin)治療能夠抑制單核細胞中,由SARS-CoV-2 S1亞基引起的低氧誘導因子HIF-1α依賴的糖酵解,以及炎癥細胞因子的產生[47]。

1.2.2 PPP 糖酵解途徑的改變也會干擾其他代謝途徑。提供給PPP途徑的氧化和非氧化反應的糖酵解中間體似乎在hCoV感染中受到調節。SARS-CoV感染能上調PPP通路[48]。葡萄糖6-磷酸脫氫酶(Glucose 6-phosphate dehydrogenase, G6PD)是PPP途徑中的第1個限速酶,其在氧化6-磷酸葡萄糖時生成的NADPH是胞質內還原當量的重要來源,因此G6PD是氧化還原平衡的關鍵調節因子。結果表明,G6PD缺乏會增加成纖維細胞對HCoV 229E 感染的易感性并調節病毒基因表達[49]。Polydatin作為G6PD抑制劑,可用于治療嚴重COVID-19患者,使用Polydatin等抗氧化劑會有效地減輕COVID-19患者的氧化應激和炎癥[50]。有研究發現,PPP途徑非氧化分支的轉酮醇酶(TKT)抑制劑苯甲氧硫胺(BOT)可以抑制SARS-CoV-2的復制,并增加糖酵解抑制劑2DG的抗SARS-CoV-2活性[51]。盡管 PPP 途徑是維持氧化還原平衡和清除細胞中ROS 的最有效系統之一,但由于非氧化性PPP分支的產物與核酸合成和氨基酸合成聯系,對其的抑制可能會抑制病毒 RNA 的合成和能量攝取。

1.3 hCoV感染過程中的氨基酸代謝 氨基酸既是蛋白質的基本組成成分,也充當著各類新陳代謝的中間體,故病毒需要依靠氨基酸的新陳代謝,來滿足它們自身對大量蛋白質和能量的需求。

1.3.1 谷氨酰胺 谷氨酰胺是血液中含量最高的氨基酸,需要作為TCA循環的替代燃料來產生三磷酸腺苷(ATP)。它還有助于細胞中廣泛的生物途徑,例如核苷酸、氨基酸和脂肪酸的產生。谷氨酰胺分解是一種重要的分解代謝途徑。據報道,在含氧量正常的條件下,谷氨酰胺分解可以啟動缺氧誘導因子-1α (HIF-1α) 的積累[52]。而從新冠患者身上分離出的血液單核細胞中也顯示出大量的 HIF-1α[43]。這可能表明谷氨酰胺分解間接有助于增加病毒感染細胞的有氧糖酵解。在 ARDS(急性呼吸窘迫綜合征)和最近的 SARS-CoV-2 感染中報道了肺纖維化和 HA 積聚的類似臨床特征[53]。這暗示SARS-CoV-2感染細胞后,通過操控谷氨酰胺代謝改變細胞外基質,從而增強了它在其中的增殖。SARS-CoV-2 感染造成的代謝應激期間,谷氨酰胺的消耗量驟增,細胞自身含量不足以滿足過度需求。研究表明,發現口服補充 L-谷氨酰胺可有效增強免疫反應并最大限度地減少對重癥監護病房的需求[54]。

1.3.2 色氨酸 色氨酸(Try)是人體內最必須和含量最少的氨基酸,主要通過飲食攝入獲得。除了作為蛋白質合成的組成部分外,它還是一些重要分子的前體,如血清素、褪黑激素和色胺[55]。只有5%的游離Try被利用,剩余的95%通過犬尿氨酸途徑(kynurenine pathway,KP)降解。一項對33名SARS-CoV-2陽性和16名陰性的參與者血漿代謝組學研究顯示,感染者中的色氨酸、血清素和吲哚丙酮酸水平較低,而犬尿氨酸、犬尿酸、煙酸水平較高[56],表明Tyr代謝受SARS-CoV-2影響,偏向于KP降解途徑。疲勞是新冠患者最常見的長期癥狀,而一些研究表明,大腦KP代謝物的增加會誘導神經毒性引發中樞疲勞和記憶問題[57]。然而目前尚無證據證明新冠帶來的疲勞感是由KP代謝物引發的。

1.3.3 精氨酸 精氨酸是一種半必須氨基酸,除了在必需蛋白質的組成中發揮重要作用外,精氨酸還是一氧化氮合酶(NOS)各種亞型的底物[58]。SARS-CoV-2感染周期需要Arg才能成功進行病毒包裝。低精氨酸環境下,核衣殼(N)蛋白的產生受到影響,該蛋白在與帶負電荷的RNA鏈相互作用中起重要作用,從而有助于結合和包裹它們以幫助有效的病毒粒子包裝[59]。而S蛋白S1/S2位點的精氨酸基序已被證明是病毒結合后宿主作用的關鍵切割位點,該部位的適當切割對于病毒膜與宿主細胞膜的成功融合是必要的[60]。因此,用于消耗精氨酸的抗腫瘤藥物ADI-PEG 20[61]、BCT-100[62]有望成為治療患者的SARS-CoV-2感染。

2 代謝在動物冠狀病毒與宿主互作中的作用

相較于hCoV,動物冠狀病毒疾病意味著數以億計的養殖業經濟損失,比如豬腸道冠狀病毒等。與此同時,我們也可以利用動物冠狀病毒,比如小鼠肝炎病毒(MHV),作為比較安全的模式病原體開展科學研究。科學家們也關注到這類動物冠狀病毒對宿主代謝途徑的影響,并逐漸發表了一些研究報道。

2.1 豬腸道冠狀病毒 針對豬腸道冠狀病毒與宿主代謝方面的研究對象,近些年來主要集中在豬流行性腹瀉病毒(PEDV)、豬德爾塔冠狀病毒(PDCoV)以及豬急性腹瀉綜合征冠狀病毒(SADS-CoV)。通過一系列蛋白組學以及基因組學的研究發現,豬腸道冠狀病毒操縱宿主基因表達進而深刻改變了宿主代謝。PEDV可能通過下調小腸中的溶質載體家族27成員2(SLC27A2),長鏈酰基輔酶A合成酶3(ACSL3)和脂肪酸合酶(FASN)表達來減少脂肪酸的合成[63]。膽固醇作為某些病毒進入細胞所需的脂閥的重要組成部分[64],受到了更多的關注。2020年,Zhang等通過對比3種仔豬腹瀉病毒(PEDV,PDCoV,SADS-CoV)感染IPEC-J2細胞的轉錄差異基因進行富集分析,發現參與膽固醇的合成代謝的基因表達水平發生顯著的變化[65]。在轉錄差異基因中,胰島素誘導基因(INSIG1)及其顯著。INSIG1是一種新發現的脂質代謝調節劑,它通過抑制激活固醇調節元件結合蛋白(SREBP)的活化和降解羥甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMGCR)來調節膽固醇代謝[66]。膽固醇25-羥化酶(CH25H)是調節膽固醇代謝的關鍵酶之一,也是廣泛的抗病毒宿主限制因子[38]。經研究人員試驗,CH25H的過度表達會抑制PDCoV復制,CH25H表達的減少則可促進PDCoV感染[67]。另外,一些針對PEDV的特效藥物,比如單月桂酸甘油酯、西奈芬凈,被發現可能調控脂質代謝來抑制病毒復制[68,69],但具體機制還有待研究。

2.2 MHV 小鼠肝炎病毒(MHV)是以小鼠為天然宿主的小鼠冠狀病毒株的總稱。它于1949年首次被分離出來后,作為模式冠狀病毒廣泛應用于研究肝炎和脫髓鞘疾病[70]。2013年,Elliott[71]等人對感染MHV的小鼠脊髓轉錄組進行高通量測序,發現參與脂質代謝許多方面的基因轉錄的重大變化:參與脂質轉運的相關基因,以及編碼具有脂肪酶或磷脂肪酶活性的基因都得到上調。這些發現為早前論斷“脫髓鞘疾病被推定涉及脂質代謝和轉運失調[72]”提供了佐證。2019年,由SARS-CoV-2引起的COVID-19逐步在全世界流行起來,造成了難以估計的損失。由于MHV與SARS-CoV-2同屬于β冠狀病毒屬,并且對MHV的研究只需要在P2實驗室進行,因此常把MHV作為SARS-CoV-2的替代研究模型[73]。雖然SARS-CoV-2感染免疫細胞引發的代謝改變已經得到了一定的研究,但對于非免疫細胞方面還缺乏足夠的認知。2022年,Lee等人就使用了MHV作為SARS-CoV-2的替代品研究冠狀病毒對非免疫細胞的代謝劫持[74]。他們主要集中在通過對三羧酸循環(TCA)周期施加代謝干預來調節病毒復制。他們發現,MHV在腦細胞的復制可以通過抑制糖酵解來進行抑制,這與SARS-CoV-2在免疫細胞的上的研究一致[44]。此外,抑制電子傳遞鏈也能顯著抑制MHV復制。他們還發現,丙酮酸產生之前,葡萄糖代謝步驟可以誘導MHV復制,而丙酮酸和丙酮酸氧化步驟可以抑制MHV復制。這可能說明了丙酮酸氧化進入三羧酸循環的過程會產生抑制MHV復制的因子。基于先前的研究,NAD水平被認為與SARS-CoV-2誘導死亡呈負相關性[75],所以猜測三羧酸循環產生的NADH是其中關鍵因子。Lee使用煙酰胺核糖(NR)來增加NAD或NADH水平,觀察到MHV復制被顯著抑制[74]。這表明NR可能作為冠狀病毒的新型治療代謝物發揮作用。

3 結論與展望

冠狀病毒影響人類健康以及社會經濟,尤其是SARS-CoV-2引起的COVID-19全球大流行。近三年里,人們投入了前所未有的力量去開發COVID-19疫苗,但突變株的不斷出現對已獲批準疫苗發揮保護效力造成了威脅[76-77]。所以需要深度理解病毒侵害宿主機體的作用機制,以便針對性開發特效藥物,化解新冠等一系列高致病性病毒病的危機。研究病毒感染對宿主代謝的影響有助于更全面地了解病毒如何重新連接宿主功能使其受益,從中獲取對抗病毒的新靈感,找尋新的抗病毒潛在靶標。本文重點綜述了近年來人類冠狀病毒如何挾持宿主代謝通路,包括脂類代謝、碳代謝、氨基酸代謝。被挾持的通路往往朝著營養消耗及合成代謝的上調方向,比如病毒感染的細胞大都表現出Warburg效應。針對這些代謝通路的運作元件,一些藥物分子被證明具有抗病毒作用,如25-HC,2-DG,BOT等。同時,我們還不能忽視這樣一個問題,這些有效的抗冠狀病毒藥物分子,由于靶向的是宿主代謝,在使用過程是否會引發宿主的毒副作用,評估這些毒副作用是亟待完成的工作。對于hCoV疾病的治療,在不同階段所使用的治療策略可能會有所不同。在感染初始階段,可以破壞宿主細胞脂筏的穩定性或者消耗精氨酸,以限制病毒進入。隨著疾病的發展,阻斷體內膽固醇和脂肪酸合成以及抑制糖酵解來限制病毒擴增顯得尤為重要,多種靶向不同代謝的藥物聯合使用可能會獲得更有效的治療效果。

此外,我們也關注了動物冠狀病毒感染對宿主代謝的影響。目前對于動物冠狀病毒在代謝方面的分子機制研究相對較少,大部分結果還集中在對于代謝組整體變動的描述。借鑒人類冠狀病毒的研究基礎,從代謝通路變化尋找關鍵靶點,進而用于治療動物冠狀病毒感染引發的動物疫病,也將是未來可以進一步拓展的研究領域。

總而言之,從代謝角度看冠狀病毒與宿主的相互作用,是尋找抗冠狀病毒新策略行之有效的手段。

利益沖突：無