DNA病毒和RNA病毒对宿主细胞糖酵解的调控机制研究进展

肖国城，袁富 ，武子琪，刘勇，韩佩君

1 中国人民解放军医学院研究生院，北京 100853；2 空军军医大学第一附属医院骨科；3 空军军医大学基础医学院学员六大队；4 空军军医大学航空航天医学系；5 空军军医大学航空航天医学系航空航天卫生学教研室

病毒是一类极具感染性的微生物，严格寄生于宿主细胞中，以复制的方式进行繁殖。病毒在与宿主细胞长期的相互作用中，逐渐建立和形成了一系列有利于其增殖、传播和抵抗宿主防御等机制。病毒可通过病毒蛋白和核酸调控宿主细胞的新陈代谢和生理状态，构建有助于其增殖的细胞环境。研究［1］发现，病毒可通过调控糖酵解途径，增加代谢中间产物的产量，进而为其复制或者子代病毒产生提供所需物质。正常生长状态下哺乳动物细胞主要通过有氧氧化分解葡萄糖产能，葡萄糖经多个步骤被转变成丙酮酸，在有氧情况下将丙酮酸转入线粒体，进入三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循环，最终驱使电子链传递。而缺氧条件下，葡萄糖在细胞质中被分解成为丙酮酸的过程被称为糖酵解，丙酮酸可在乳酸脱氢酶的催化下还原为乳酸并被泵出细胞［1］。一些病毒可诱导有氧糖酵解，即Warburg效应。病毒感染细胞时，细胞葡萄糖吸收、代谢水平增加，病毒可进一步激活糖酵解途径，产生更多的三磷酸腺苷（ATP）、还原型辅酶1（NADH）和还原型辅酶Ⅱ（NADPH），为高耗能的基因复制和病毒组装提供能量。激活的糖酵解途径也可为病毒复制和组装所需核苷酸、脂类、氨基酸和碳水化合物等分子的合成提供碳源［2］。目前病毒对宿主细胞糖酵解的具体调控机制仍不明确，已有DNA病毒和RNA病毒通过病毒特异microRNA或病毒蛋白诱导宿主细胞糖酵解增加的相关研究。现将病毒对宿主细胞糖酵解的调控机制相关研究进展综述如下。

1 DNA病毒对宿主细胞糖酵解的调控机制

一些DNA病毒可通过促进宿主细胞糖酵解为其复制提供所需物质，其中包括人巨细胞病毒（Human cytomegalovirus，HCMV）、单纯疱疹病毒（Herpes simplex virus，HSV）、卡波济肉瘤相关疱疹病毒（Kaposi’s sarcoma-associated herpesvirus，KSHV）、EB病毒（Epstein-barr virus，EBV）和腺病毒（Adenovi-rus，AdV）等。其可通过促进CaMKK表达、抑制GLUT 1表达、激活糖酵解途径限速酶等途径，诱导宿主细胞糖酵解，为其复制提供所需物质，参与早期病毒复制。

1.1 HCMV对宿主细胞糖酵解途径的调控机制 MUNGER等［3］进行了首个病毒感染真核细胞的代谢组学研究，其通过液相色谱-串联质谱法测定HCMV感染人成纤维细胞后胞内60多种代谢物的表达水平，结果发现在HCMV感染早期，人成纤维细胞糖酵解途径的代谢产物水平变化差异较小，但在病毒感染后期，果糖-1，6-二磷酸酶（Fructose 1，6-bisphosphatase，FBP）、磷酸二羟丙酮（Dihydroxyacetone phosphate， DHAP）、3- 磷酸甘油酸和磷酸烯醇丙酮酸（Phosphoenolpyruvate，PEP）表达量增加。碳代谢流分析进一步表明HCMV感染细胞后，细胞中通过糖酵解及三羧酸（Tricarboxylic acid，TCA）循环的碳流量增加。HCMV感染后宿主细胞糖酵解途径表达量增加。进一步探究其机制后发现，激活宿主细胞糖酵解途径参与早期HCMV病毒复制中的蛋白表达［4］；抑制钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶（Calmodulin dependent protein kinase kinase，CaMKK） 能够阻断HCMV对糖酵解的诱导，并且可抑制病毒复制、晚期病毒基因的合成以及子代病毒的生成［4］。不同的CaMKK和腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）亚型以不同的方式参与调控病毒复制。CaMKK1在HCMV低感染复数（MOI）感染时发挥重要作用，但在病毒感染早期并不依赖AMPK激活。而在HCMV病毒高滴度感染状态下，HCMV可特异性诱导宿主细胞AMPKa2亚单位表达，激活宿主细胞糖酵解途径［5］。抑制宿主细胞CAMKK表达对单纯疱疹病毒1型（Herpes simplex virus 1，HSV-1）复制并没有影响，但葡萄糖代谢抑制剂 2-脱氧葡萄糖（2-deoxyglucose，2-DG），对HCMV、HSV-1的复制均可产生抑制作用［4］。因此，病毒诱导宿主细胞糖酵解的机制具有病毒种属特异性。

HCMV感染人成纤维细胞后还可抑制宿主细胞细胞膜上葡萄糖转运蛋白表达。研究［6］发现，HCMV可下调葡萄糖转运蛋白1（Glucose transporter 1，GLUT 1）的表达，同时促进转运效率更高的GLUT4表达。因此，HCMV可通过诱导GLUT的表达，来增加感染病毒的细胞内葡萄糖的累积。IRENE等［7］研究发现，HCMV的UL38蛋白参与HCMV介导的糖酵解激活和氨基酸分解代谢。UL38可通过抑制宿主细胞肿瘤抑制蛋白TSC2表达，促进细胞葡萄糖和部分氨基酸的消耗量增加，为新病毒颗粒的生成提供能量和原料。

1.2 HSV对宿主细胞糖酵解的调控机制 HSV-1若要在Hela细胞中进行传代培养，培养液中必须含有葡萄糖。在没有葡萄糖的培养液中HSV-1虽能进入Hela细胞，但后续没有病毒复制，不产生感染性病毒颗粒。在加入2-脱氧葡萄糖（2-DG）的培养条件下，HSV-1病毒颗粒的复制并没有明显减少，但感染性病毒颗粒受到严重损害，可能是由于病毒糖蛋白表达异常导致的［8］。对另一种甲型疱疹病毒——伪狂犬病病毒的研究［9］结果发现，在加入2-DG的培养条件下伪狂犬病病毒可以进行核酸复制和蛋白合成，但传染性病毒颗粒的产生明显减少。所以，在成熟病毒颗粒产生的过程中（包括病毒组装和释放阶段）糖酵解发挥重要作用。

HSV利用葡萄糖提供的碳源用于嘧啶的生物合成，并不是像HCMV那样诱导糖酵解用于TCA循环。HSV-1感染期间对糖酵解途径的需求可能在于通过该途径来增加病毒核苷酸的合成［10］。ABRANTES等［11］研究表明，HSV-1可激活糖酵解途径的限速酶—磷酸果糖激酶-1，并且随着病毒感染MOI的增加酶的活性随之增加。GRADY等［12］在通过siRNA筛选参与病毒复制的代谢通路中研究发现，精氨基琥珀合成酶1可通过增加天冬氨酸的含量而在HSV-1的复制过程中发挥重要作用。

1.3 KSHV对宿主细胞糖酵解的调控机制 KSHV一旦感染内皮细胞，就会建立潜伏感染。虽然在潜伏感染期间，很少或根本不产生病毒颗粒，并不需要快速的代谢变化，但潜伏的病毒感染仍会诱导糖酵解的发生。DELGADO等［13］对内皮细胞潜伏感染KSHV的代谢组学研究后发现，糖酵解以及乳酸等代谢物在潜伏感染期间被诱导产生，且该诱导部分与GULT3表达上调相关。同时，抑制糖酵解会引起潜伏感染细胞的死亡，说明糖酵解的诱导对于潜伏感染细胞的生存至关重要［13］。由此可见，病毒诱导糖酵解不仅是核酸复制或者病毒颗粒装配和释放所必需的，而且有可能为其在细胞中的存活提供一定帮助［14］。

YOGEV等［15］研究发现，KSHV的 microRNA可通过抑制宿主细胞线粒体的生物合成，诱导有氧糖酵解，促进宿主细胞摄取葡萄糖。后续研究结果发现，KSHV感染细胞后可通过外泌体将病毒编码的microRNA特异性地转移到周围细胞，使周围细胞代谢转向有氧糖酵解，从而提高KSHV对微环境的适应性［16］，提示有可能KSHV此miRNA基因在诱导糖酵解中发挥主要作用。

1.4 EBV对宿主细胞糖酵解的调控机制 与KSHV相同，EBV在感染宿主细胞时可直接诱导宿主细胞的糖酵解，维持宿主细胞的存活。EBV通过编码潜伏膜蛋白1（Latent membrane protein 1，LMP1）参与诱导糖酵解［17］。进一步研究［18］表明，LMP1不仅可增加细胞对葡萄糖和谷氨酰胺的摄取，还可增加乳酸脱氢酶（Actate dehydrogenase，LDHA）活性和乳酸的产生，降低丙酮酸激酶活性和丙酮酸浓度，成纤维细胞生长因子受体1（Fibroblast growth factor receptor1，FGFR1）信号途径是 LMP1介导的糖酵解关键途径。LMP1可降低线粒体的氧化磷酸化耗氧率和膜电位，促进细胞外乳酸含量升高，改变鼻咽癌细胞线粒体功能来促进Warburg效应［19］。LMP1 还可激活下游分子 mTORC1进而激活NF-κB信号通路，而NF-κB的活化参与LMP1诱导的GLUT1转录上调，由此表明mTORC1/NF-κB/GLUT-1信号轴在EBV诱导的有氧糖酵解中发挥关键作用。除LMP1之外，MYC蛋白及EBV miRNA可能在EBV诱导糖酵解过程中也发挥重要作用［20］。

1.5 AdV对宿主细胞糖酵解的调控机制 AdV是一种无包膜的双链DNA病毒，同样可诱导糖酵解。THAI等［21］研究发现，5型AdV感染非致瘤性乳腺上皮细胞将导致葡萄糖消耗和乳酸生成量增加，同时氧气消耗减少，病毒E4ORF1基因产物可上调宿主细胞葡萄糖代谢，并且通过激活MYC来诱导增强上皮细胞的糖酵解。其作用机制为E4ORF1定位于细胞核，可与MYC结合并增强MYC与糖酵解靶基因的结合，从而导致特定糖酵解酶的表达增加。

除此之外，AdV毒感染可诱导进入核苷酸合成的碳流量增加。将放射性标记的葡萄糖添加到细胞培养液中时，AdVDNA也将被标记，表明部分碳源用于病毒基因组的合成。而当E4ORF1不能激活MYC的AdV突变体时，进入核苷酸合成的碳流和AdV DNA的复制就会受限。由此可见，AdV可通激活宿主细胞MYC表达，来促进糖酵解和核苷酸合成，进而促进 AdVDNA 复制。THAI等［21］还发现，敲除MYC后仅能导致低糖酵解率的上皮细胞中病毒滴度的下降，但在高糖酵解率的细胞中，对病毒滴度影响并不大，提示只有在糖酵解受限的特定细胞环境下，MYC和糖酵解的激活才可对AdV复制产生影响。

2 RNA病毒对宿主细胞糖酵解的调控机制

除DNA病毒外，丙型肝炎病毒（Hepatitis C virus，HCV）、登革病毒（dengue virus，DENV）、人类免疫缺陷病毒（Human immunodeficiency virus，HIV）和甲型流感病毒（Influenza A virus，IAV）等RNA病毒也可能参与调控宿主细胞糖酵解。

2.1 HCV对宿主细胞糖酵解的调控机制 HCV是有包膜的正链RNA病毒。研究［22］发现，Huh7细胞感染HCV后细胞氧化磷酸化减少，同时对细胞外葡萄糖的依赖增加。除了增加对葡萄糖的需要，在HCV感染的细胞中乳酸产量也会增加。蛋白质组学检测结果显示，在HCV感染的Huh7细胞中，糖酵解相关酶的表达增加。OLIVIER 等研究［23］发现，HCV对糖酵解的诱导可能与HCV非结构蛋白NS5A蛋白与HK2相互作用相关，二者直接相互作用导致HK2活性提高，提高宿主细胞糖酵解速率。最新研究［24］发现，HCV NS5A 蛋白的 D2结构域（NS5A-D2）参与碳代谢的重新编程，NS5A-D2通过增加葡萄糖的消耗，减少糖原的储存，来使细胞适应HCV的复制。其中HCV NS5A-D2可激活己糖激酶同工酶—葡萄糖激酶（Glucokinase，GCK），而GCK是正常肝细胞糖酵解的第一个限速酶。HCV还可通过增加丙酮酸脱氢酶激酶（Pyruvate dehydrogenase kinase，PDK）活性来增加糖酵解，从而为病毒的复制提供超额的核苷酸前体。当培养液中加入半乳糖后，HCV的释放严重受到阻碍，而且感染性病毒颗粒在胞内多泡体（Multivesicular body，MVB） 中聚集。HCV 释放过程中糖代谢的调节是由MAPK-p38磷酸化所介导［25］。所以，HCV 非结构蛋白NS5A是HCV诱导细胞糖酵解的关键分子，其可通过提高HK2、GCK等重要酶的活性来诱导细胞碳代谢的重编程，并为自身复制提供有利条件。

2.2 DENV对宿主细胞糖酵解的调控机制 FONTAINE等［26］研究发现，DENV2感染期间细胞葡萄糖消耗量增加，而减少外源葡萄糖供应将明显影响病毒的复制。此外，在DENV2感染后，GLUT1和HK2表达上调，通过药物抑制糖酵解途径后可显著减少病毒 RNA的合成和感染性病毒颗粒的产生。所以，DENV感染过程中需要糖酵解的参与。LEE等［27］研究发现，DENV2感染可增加细胞自噬活性、葡萄糖摄取量以及GLUT1和 HK2蛋白表达的上调。但是DENV2感染可降低ATP水平，并且对HK2和磷酸果糖激酶的mRNA表达，以及乳酸的产生并不产生影响。此提示DENV2诱导糖酵解有可能发生在转录之后，并且与乳酸途径无关。当使用自噬抑制剂spautin-1或沉默Atg5基因表达时，可逆转自噬活性、葡萄糖摄取、HK2表达水平以及病毒滴度的增加。由此可见，在DENV2感染中，糖酵解和自噬之间有可能存在某种调节机制，值得进一步探索。

2.3 HIV对宿主细胞糖酵解的调控机制 近年来对逆转录病毒科下慢病毒属的HIV的研究表明，逆转录病毒也能调控宿主细胞的代谢。有学者［28］从HIV感染的CD4+T细胞蛋白质组学分析中发现糖酵解发生变化。感染HIV-1的CD4+T细胞中，GULT和参加糖酵解的酶类HK1表达均有上调［29］。GABRIEL等［30］在神经胶质瘤细胞孵育HIV gp120后，烯醇化酶2、己糖激酶和甘油醛-3-磷酸脱氢酶表达上调，并且在gp120处理的细胞中，丙酮酸激酶活性与糖酵解指数增高。说明HIV gp120在通过诱导糖酵解来促进病毒增殖中发挥了重要作用。KISHIMOTO等［31］研究发现有氧糖酵解是维持逆转录酶的酶活性和将包膜蛋白充分包装到HIV-1颗粒上所必需的，此表明在HIV-1感染细胞过程中有氧糖酵解环境可能有助于病毒生成的质量控制。SHYTAJ等［32］通过转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析，发现当HIV-1感染在潜伏期可降低糖酵解，而且病毒激活后可逆转此效应。

CASTELLANO等［33］研究发现在HIV感染的巨噬细胞中并未检测到糖酵解的变化，而是发现琥珀酸和其他一些TCA代谢产物的增加在介导氧化磷酸化（OXPHOS）中起到重要作用。关于HIV感染巨噬细胞和CD4+T细胞后代谢的差异在之前已经有学者［34］提出，而造成这种差异的原因可能与在HIV感染机体过程中，巨噬细胞通常维持长期感染，而CD4+T细胞通常发生急性的溶血性感染有关［1］。

2.4 IAV对宿主细胞糖酵解的调控机制 研究［35］发现，IAV感染单层鸡胚细胞后，葡萄糖摄取、糖酵解和乳酸在3 h内均有明显增加。一项靶向代谢组学研究［36］表明，两株甲型H1N1流感病毒在感染哺乳动物细胞后8～12 h内葡萄糖摄取、糖酵解酶和乳酸产生增加。随着病毒复制的发生，糖酵解的增加与细胞凋亡是同步一致的，并且之间可能具有相关性。但有些病毒可诱导糖酵解而不促使细胞凋亡。FONTAINE等［26］发现，登革病毒在感染早期就诱导了糖酵解，但在感染后48 h仍继续复制并产生病毒，表明细胞凋亡并未在感染早期发生。

综上所述，病毒感染宿主细胞后，通过诱导宿主细胞糖酵解，为其提供病毒复制及组装所需原料和能量。DNA病毒可通过促进CaMKK表达、抑制GLUT 1表达、激活糖酵解途径限速酶等途径，诱导宿主细胞糖酵解，参与早期病毒复制。RNA病毒可通过提高糖酵解相关酶表达，促进GLUT1、HK2及HK1蛋白表达，诱导宿主细胞糖酵解，为病毒复制提供能量和原料。