从代谢角度看冠状病毒与宿主的相互作用

黄梓鑫,周书亭,王 哲

冠状病毒是有囊膜包裹的单股正链RNA病毒,在自然界广泛存在。冠状病毒具有多种宿主,如人类、蝙蝠、骆驼、鸟类、牲畜和伴侣动物(以陪伴为目的而被人类在家庭及类似场所拥有的驯化动物)等[1],从而对公众健康构成严重威胁。目前已发现至少7种冠状病毒可感染人类,包括人类冠状病毒229E(human coronavirus 229E,hCoV-229E)、中东呼吸综合征冠状病毒(middle east respiratory syndrome-related coronavirus,MERS-CoV)、严重急性呼吸综合征冠状病毒(severe acute respiratory syndrome related coronavirus,SARS-CoV)、人类冠状病毒OC43、人类冠状病毒HKU1、人类冠状病毒NL63及严重急性呼吸综合征冠状病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)[2]。冠状病毒属于尼多病毒目,冠状病毒科,冠状病毒亚科。根据早期的血清学和随后的基因组学证据,冠状病毒科被进一步划分为4个属:α冠状病毒、β冠状病毒、γ冠状病毒和δ冠状病毒[3]。目前已知,病毒已经进化出多种策略,可以重新编程受感染宿主细胞的代谢网络,以实现病毒的快速复制并逃避宿主免疫反应。正因为病毒复制强烈地依赖于宿主细胞的代谢途径,因此,通过药理学方法抑制这些关键代谢途径即代谢干扰,可作为一种新型的抗病毒策略。

代谢组学是一种用于测量和比较生物样品中代谢物的丰度和变动的高通量组学方法。结合高通量分析化学和多元数据分析,代谢组学为研究代谢机制提供了一个独特的窗口。而由于病毒通常需要密切利用和操控宿主的代谢,因此代谢组学是研究上述过程的绝佳选择。近年来,代谢组学技术的快速革新,也为探索代谢在病毒—宿主互作过程的重要作用提供了有效支撑。例如,谷氨酰胺对牛痘病毒复制至关重要,牛痘病毒感染会改变谷氨酰胺代谢[4]。甲型流感病毒感染通过影响宿主细胞代谢途径如嘌呤、脂质和谷胱甘肽促进自我复制[5]。除氨基酸代谢外,糖酵解、三羧酸循环和脂质代谢也在病毒复制中发挥重要作用。例如,DENV诱导了自噬调节细胞脂质代谢,释放游离脂肪酸,利于DENV复制[6];脂质代谢也影响丙型肝炎病毒的组装和进入[7]。没食子儿茶素-3-没食子酸酯通过抑制脂质合成和自噬显著减弱猪繁殖与呼吸障碍综合征病毒感染[8]。6-磷酸葡萄糖脱氢酶 (G6PD) 是戊糖磷酸途径的限速酶,是细胞内氧化还原所需的 NADPH 的主要来源,流感病毒感染会降低 G6PD 的表达和活性,从而导致氧化应激和病毒复制的增加[9]。在人巨细胞病毒感染期间,需要谷氨酰胺酶和谷氨酸脱氢酶将谷氨酰胺转化为α-酮戊二酸,而α-酮戊二酸进入三羧酸循环参与病毒复制[10]。

本文聚焦了近些年来关于冠状病毒对宿主代谢(包括脂类代谢、中心碳代谢等)影响的国内外研究,通过识别病毒感染诱导的宿主细胞代谢重编程,不仅可以帮助我们更为深入地理解病毒与宿主的相互作用,还有助于通过靶向代谢途径开发新型抗病毒药物。

1 代谢在人类冠状病毒与宿主互作中的作用

众所周知,在过去的20年中,出现了3种人兽共患的高致病性人类冠状病毒(Human coronavirus,HCoV):SARS-CoV,MERS-CoV,SARS-CoV-2。由于代谢调控和病毒感染有着密不可分的关系,为了深入了解病毒感染、发病机制,提出新型抗病毒策略,从代谢角度对这些高致病性HCoV进行研究已成为目前的主流。

1.1 hCoV感染期间脂质代谢的变化

1.1.1 脂质在hCoV感染宿主过程中的生物学功能 脂质在病毒生命周期的各个阶段都发挥着至关重要的作用。首先,脂质可以作为细胞表面或内体上包膜和非包膜病毒的直接受体,或作为进入辅助因子[11-12]。其次,脂质和脂质合成在病毒复制复合物的形成和发挥功能过程中起到关键作用[13-14]。再次,脂质代谢可以为病毒复制供给能量[15]。脂质还决定了病毒蛋白在细胞中的恰当分布,以及病毒颗粒的运输、组装和释放[16-17]。总之,宿主脂质合成途径在调节病毒传播方面发挥着不可或缺的作用。

脂质对于冠状病毒进入、膜融合、翻译、病理合胞体形成起着至关重要的作用。一项针对SARS-CoV2感染的宿主细胞转录组学研究显示,冠状病毒感染与脂质生物合成中的明显代谢紊乱有关[18]。这说明冠状病毒劫持宿主脂质生物合成以满足自身需要。膜胆固醇在病毒进入中也起着重要作用。脂筏是富含胆固醇和鞘脂的质膜区域,包括冠状病毒在内的许多包膜病毒,在其生命周期的不同阶段都可以利用脂筏,完成细胞进入、运输、信号传导和细胞出芽[19]。血管紧张素转换酶2(ACE2)作为SARS-CoV,SARS-CoV-2的膜受体,属于一种脂筏蛋白。ACE2可被冠状病毒刺突蛋白(S)识别,从而实现病毒的包膜融合及内吞[20]。此外,其他筏内脂类如鞘脂类和神经酰胺在病毒融合和进入细胞的过程中也发挥着重要作用,表明脂筏的完整性对于病毒入侵的重要性[21]。有学者尝试耗尽细胞中的胆固醇,创造无脂筏环境,此举降低了SARS-CoV和SARS-CoV-2的传染性[22-23]。

1.1.2 hCoV对宿主细胞脂质代谢网络的操控 目前不少证据显示,SARS-CoV-2感染的一个基本特征是对宿主脂质代谢的操纵。脂质和脂质相关的蛋白已经被确定为感染的生物标记物,如VLDL和HDL粒子,类固醇激素和各种载脂蛋白[24]。而甘油三酯(TAG)[25]和多不饱和脂肪酸[26]的升高被认为是造成严重疾病的标志物。此外,代谢紊乱如肥胖、糖尿病和高血压已被描述为严重疾病患者的关键危险因素[27]。这些观察结果表明,在生物体水平上脂质代谢发生了系统性变化。

冠状病毒顺利完成生命周期,高度依赖于其对宿主细胞脂质组的重塑。具体来说,①hCoV重组细胞膜形成双膜囊泡(DMV),作为病毒复制/转录复合物的锚定结构,由于脂质重塑和DMV形成对病毒的成功复制至关重要[13, 28-29],因此当添加抑制参与这些过程的必要酶,如胞质磷脂酶A2α,可以减少病毒的增殖[29]。②脂质可以为病毒复制提供能量,并在病毒成分的转运以及新病毒颗粒的组装及出芽过程中发挥重要作用[30]。有研究表明,在感染hCoV-229E或MERS-CoV后检测到24种不同的脂质,特别是溶血磷脂和脂肪酸,其含量在感染细胞中持续升高。同时发现亚油酸和花生四烯酸的代谢轴是最受病毒感染干扰的途径,更重要的是,外源添加LA和AA抑制了病毒的复制,表明LA-AA代谢轴是调节冠状病毒复制的一个共同而必要的途径[30]。最新的一项研究表明,SARS-CoV-2重组了宿主的脂质代谢,改变了409种脂质物种[31]。

1.1.3 靶向脂质及其代谢的SARS-CoV-2药物 众所周知,脂质在病毒穿过宿主细胞膜并复制的过程中发挥关键作用,同时病毒感染本身改变了脂质在宿主细胞中的正常代谢。关注脂质相关代谢途径,从中开发抗SARS-CoV-2新疗法,已成为抗病毒治疗的新思路。FASN是唯一参与脂肪酸从头合成的酶,在病毒感染后可被 IFN-I 下调,当通过药理学抑制剂抑制脂肪酸合成酶(FASN)后显著阻断了包括 SARS-CoV-2 及其相关变异毒株在内的多种包膜病毒的复制和传播[32]。人冠状病毒感染期间,宿主细胞的固醇调解元件结合蛋白被激活,促进脂肪酸和磷脂的积累[33]。同时,该蛋白可以通过加速棕榈酸盐的生物合成来促进病毒蛋白的棕榈酰化,从而稳定病毒蛋白[34]。AM-580,一种SREBP-1的抑制剂,已被证明能抑制Huh7.5细胞中的MERS-CoV[34]。冠状病毒高度依赖膜胆固醇,这已被作为抗病毒药物开发方向。Amiodarone作为一种降低质膜胆固醇含量的药物,其抗病毒作用可以通过补充胆固醇来逆转,这说明了质膜胆固醇含量的降低与抗病毒药物作用的紧密相关性[35]。在重症 COVID-19 患者和感染 SARS-CoV-2 的 hACE2 小鼠中,25-HC浓度很高,因此它可被视为新冠肺炎严重程度的风险标志[36]。最近研究表明,25-HC通过抑制胆固醇释放阻断病毒膜融合,降低膜胆固醇水平[37-38],表现出抑制SARS-CoV-2等hCoV感染的活性。EK1肽是一种泛冠状病毒融合抑制剂,能够与SARS-CoV、MERS-CoV等hCoV的七烷重复序列1(HR1)结构域结合,阻止了病毒与宿主细胞的融合和进入[39]。最近的一项研究发现,25-HC与EK1肽的结合对SARS-CoV-2和MERS-CoV假病毒(PsV)的感染具有协同作用[40]。另一种选择性胆固醇氧化产物,27-羟基胆固醇(27-HC),也被发现其通过胆固醇的积累来改变脂筏的细胞结构,诱导内体膜组成和功能的瞬时改变,从而抑制 SARS-CoV-2 复制[41]。

1.2 hCoV感染期间中心碳代谢的变化 中心碳代谢(central carbon metabolism,CCM)包括糖酵解途径(Embden-Meyerhof-Parnas,EMP)、磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway,PPP)以及三羧酸循环(Tricarboxylic Acid Cycle,TCA cycle)等途径,是生物体获取所需能量的主要来源,并为体内其他代谢模块提供前体物质。在SARS-CoV-2爆发期间,人们注意到,新冠重症患者糖尿病患病率显著高于中度患症。这暗示着,病毒感染的严重程度与宿主糖代谢紊乱程度之间存在某种密切关系[42]。

1.2.1 EMP 有研究显示,细胞内葡萄糖水平的升高和糖酵解途径促进了SARS-CoV-2感染。在COVID-19患者的支气管肺泡灌洗单核细胞中和巨噬细胞等免疫细胞中,许多糖酵解相关基因上调,高糖酵解活性会抑制 T 细胞反应并降低上皮细胞存活率[43]。降低糖酵解活性可以认为是一个潜在的靶向治疗途径[44]。SARS-CoV-2感染诱导葡萄糖内流和糖酵解增加,糖酵解抑制剂2-脱氧葡萄糖(2-DG)抑制了SARS-CoV-2感染细胞的糖酵解,减少了病毒增殖,减轻了病毒诱导的细胞病变效应。发现在被2-DG处理过的细胞中,产生的子代病毒粒子Spike蛋白受体结合域的关键N-糖苷位点(N331和N343)上没有糖基化,导致产生的缺陷子代病毒粒子感染潜能受损[45]。最近的研究表明,糖酵解的增加支持了病毒在结肠癌细胞和血液单核细胞中的复制[44,46]。而通过糖尿病药物二甲双胍(Metformin)治疗能够抑制单核细胞中,由SARS-CoV-2 S1亚基引起的低氧诱导因子HIF-1α依赖的糖酵解,以及炎症细胞因子的产生[47]。

1.2.2 PPP 糖酵解途径的改变也会干扰其他代谢途径。提供给PPP途径的氧化和非氧化反应的糖酵解中间体似乎在hCoV感染中受到调节。SARS-CoV感染能上调PPP通路[48]。葡萄糖6-磷酸脱氢酶(Glucose 6-phosphate dehydrogenase, G6PD)是PPP途径中的第1个限速酶,其在氧化6-磷酸葡萄糖时生成的NADPH是胞质内还原当量的重要来源,因此G6PD是氧化还原平衡的关键调节因子。结果表明,G6PD缺乏会增加成纤维细胞对HCoV 229E 感染的易感性并调节病毒基因表达[49]。Polydatin作为G6PD抑制剂,可用于治疗严重COVID-19患者,使用Polydatin等抗氧化剂会有效地减轻COVID-19患者的氧化应激和炎症[50]。有研究发现,PPP途径非氧化分支的转酮醇酶(TKT)抑制剂苯甲氧硫胺(BOT)可以抑制SARS-CoV-2的复制,并增加糖酵解抑制剂2DG的抗SARS-CoV-2活性[51]。尽管 PPP 途径是维持氧化还原平衡和清除细胞中ROS 的最有效系统之一,但由于非氧化性PPP分支的产物与核酸合成和氨基酸合成联系,对其的抑制可能会抑制病毒 RNA 的合成和能量摄取。

1.3 hCoV感染过程中的氨基酸代谢 氨基酸既是蛋白质的基本组成成分,也充当着各类新陈代谢的中间体,故病毒需要依靠氨基酸的新陈代谢,来满足它们自身对大量蛋白质和能量的需求。

1.3.1 谷氨酰胺 谷氨酰胺是血液中含量最高的氨基酸,需要作为TCA循环的替代燃料来产生三磷酸腺苷(ATP)。它还有助于细胞中广泛的生物途径,例如核苷酸、氨基酸和脂肪酸的产生。谷氨酰胺分解是一种重要的分解代谢途径。据报道,在含氧量正常的条件下,谷氨酰胺分解可以启动缺氧诱导因子-1α (HIF-1α) 的积累[52]。而从新冠患者身上分离出的血液单核细胞中也显示出大量的 HIF-1α[43]。这可能表明谷氨酰胺分解间接有助于增加病毒感染细胞的有氧糖酵解。在 ARDS(急性呼吸窘迫综合征)和最近的 SARS-CoV-2 感染中报道了肺纤维化和 HA 积聚的类似临床特征[53]。这暗示SARS-CoV-2感染细胞后,通过操控谷氨酰胺代谢改变细胞外基质,从而增强了它在其中的增殖。SARS-CoV-2 感染造成的代谢应激期间,谷氨酰胺的消耗量骤增,细胞自身含量不足以满足过度需求。研究表明,发现口服补充 L-谷氨酰胺可有效增强免疫反应并最大限度地减少对重症监护病房的需求[54]。

1.3.2 色氨酸 色氨酸(Try)是人体内最必须和含量最少的氨基酸,主要通过饮食摄入获得。除了作为蛋白质合成的组成部分外,它还是一些重要分子的前体,如血清素、褪黑激素和色胺[55]。只有5%的游离Try被利用,剩余的95%通过犬尿氨酸途径(kynurenine pathway,KP)降解。一项对33名SARS-CoV-2阳性和16名阴性的参与者血浆代谢组学研究显示,感染者中的色氨酸、血清素和吲哚丙酮酸水平较低,而犬尿氨酸、犬尿酸、烟酸水平较高[56],表明Tyr代谢受SARS-CoV-2影响,偏向于KP降解途径。疲劳是新冠患者最常见的长期症状,而一些研究表明,大脑KP代谢物的增加会诱导神经毒性引发中枢疲劳和记忆问题[57]。然而目前尚无证据证明新冠带来的疲劳感是由KP代谢物引发的。

1.3.3 精氨酸 精氨酸是一种半必须氨基酸,除了在必需蛋白质的组成中发挥重要作用外,精氨酸还是一氧化氮合酶(NOS)各种亚型的底物[58]。SARS-CoV-2感染周期需要Arg才能成功进行病毒包装。低精氨酸环境下,核衣壳(N)蛋白的产生受到影响,该蛋白在与带负电荷的RNA链相互作用中起重要作用,从而有助于结合和包裹它们以帮助有效的病毒粒子包装[59]。而S蛋白S1/S2位点的精氨酸基序已被证明是病毒结合后宿主作用的关键切割位点,该部位的适当切割对于病毒膜与宿主细胞膜的成功融合是必要的[60]。因此,用于消耗精氨酸的抗肿瘤药物ADI-PEG 20[61]、BCT-100[62]有望成为治疗患者的SARS-CoV-2感染。

2 代谢在动物冠状病毒与宿主互作中的作用

相较于hCoV,动物冠状病毒疾病意味着数以亿计的养殖业经济损失,比如猪肠道冠状病毒等。与此同时,我们也可以利用动物冠状病毒,比如小鼠肝炎病毒(MHV),作为比较安全的模式病原体开展科学研究。科学家们也关注到这类动物冠状病毒对宿主代谢途径的影响,并逐渐发表了一些研究报道。

2.1 猪肠道冠状病毒 针对猪肠道冠状病毒与宿主代谢方面的研究对象,近些年来主要集中在猪流行性腹泻病毒(PEDV)、猪德尔塔冠状病毒(PDCoV)以及猪急性腹泻综合征冠状病毒(SADS-CoV)。通过一系列蛋白组学以及基因组学的研究发现,猪肠道冠状病毒操纵宿主基因表达进而深刻改变了宿主代谢。PEDV可能通过下调小肠中的溶质载体家族27成员2(SLC27A2),长链酰基辅酶A合成酶3(ACSL3)和脂肪酸合酶(FASN)表达来减少脂肪酸的合成[63]。胆固醇作为某些病毒进入细胞所需的脂阀的重要组成部分[64],受到了更多的关注。2020年,Zhang等通过对比3种仔猪腹泻病毒(PEDV,PDCoV,SADS-CoV)感染IPEC-J2细胞的转录差异基因进行富集分析,发现参与胆固醇的合成代谢的基因表达水平发生显著的变化[65]。在转录差异基因中,胰岛素诱导基因(INSIG1)及其显著。INSIG1是一种新发现的脂质代谢调节剂,它通过抑制激活固醇调节元件结合蛋白(SREBP)的活化和降解羟甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGCR)来调节胆固醇代谢[66]。胆固醇25-羟化酶(CH25H)是调节胆固醇代谢的关键酶之一,也是广泛的抗病毒宿主限制因子[38]。经研究人员试验,CH25H的过度表达会抑制PDCoV复制,CH25H表达的减少则可促进PDCoV感染[67]。另外,一些针对PEDV的特效药物,比如单月桂酸甘油酯、西奈芬净,被发现可能调控脂质代谢来抑制病毒复制[68,69],但具体机制还有待研究。

2.2 MHV 小鼠肝炎病毒(MHV)是以小鼠为天然宿主的小鼠冠状病毒株的总称。它于1949年首次被分离出来后,作为模式冠状病毒广泛应用于研究肝炎和脱髓鞘疾病[70]。2013年,Elliott[71]等人对感染MHV的小鼠脊髓转录组进行高通量测序,发现参与脂质代谢许多方面的基因转录的重大变化:参与脂质转运的相关基因,以及编码具有脂肪酶或磷脂肪酶活性的基因都得到上调。这些发现为早前论断“脱髓鞘疾病被推定涉及脂质代谢和转运失调[72]”提供了佐证。2019年,由SARS-CoV-2引起的COVID-19逐步在全世界流行起来,造成了难以估计的损失。由于MHV与SARS-CoV-2同属于β冠状病毒属,并且对MHV的研究只需要在P2实验室进行,因此常把MHV作为SARS-CoV-2的替代研究模型[73]。虽然SARS-CoV-2感染免疫细胞引发的代谢改变已经得到了一定的研究,但对于非免疫细胞方面还缺乏足够的认知。2022年,Lee等人就使用了MHV作为SARS-CoV-2的替代品研究冠状病毒对非免疫细胞的代谢劫持[74]。他们主要集中在通过对三羧酸循环(TCA)周期施加代谢干预来调节病毒复制。他们发现,MHV在脑细胞的复制可以通过抑制糖酵解来进行抑制,这与SARS-CoV-2在免疫细胞的上的研究一致[44]。此外,抑制电子传递链也能显著抑制MHV复制。他们还发现,丙酮酸产生之前,葡萄糖代谢步骤可以诱导MHV复制,而丙酮酸和丙酮酸氧化步骤可以抑制MHV复制。这可能说明了丙酮酸氧化进入三羧酸循环的过程会产生抑制MHV复制的因子。基于先前的研究,NAD水平被认为与SARS-CoV-2诱导死亡呈负相关性[75],所以猜测三羧酸循环产生的NADH是其中关键因子。Lee使用烟酰胺核糖(NR)来增加NAD或NADH水平,观察到MHV复制被显著抑制[74]。这表明NR可能作为冠状病毒的新型治疗代谢物发挥作用。

3 结论与展望

冠状病毒影响人类健康以及社会经济,尤其是SARS-CoV-2引起的COVID-19全球大流行。近三年里,人们投入了前所未有的力量去开发COVID-19疫苗,但突变株的不断出现对已获批准疫苗发挥保护效力造成了威胁[76-77]。所以需要深度理解病毒侵害宿主机体的作用机制,以便针对性开发特效药物,化解新冠等一系列高致病性病毒病的危机。研究病毒感染对宿主代谢的影响有助于更全面地了解病毒如何重新连接宿主功能使其受益,从中获取对抗病毒的新灵感,找寻新的抗病毒潜在靶标。本文重点综述了近年来人类冠状病毒如何挟持宿主代谢通路,包括脂类代谢、碳代谢、氨基酸代谢。被挟持的通路往往朝着营养消耗及合成代谢的上调方向,比如病毒感染的细胞大都表现出Warburg效应。针对这些代谢通路的运作元件,一些药物分子被证明具有抗病毒作用,如25-HC,2-DG,BOT等。同时,我们还不能忽视这样一个问题,这些有效的抗冠状病毒药物分子,由于靶向的是宿主代谢,在使用过程是否会引发宿主的毒副作用,评估这些毒副作用是亟待完成的工作。对于hCoV疾病的治疗,在不同阶段所使用的治疗策略可能会有所不同。在感染初始阶段,可以破坏宿主细胞脂筏的稳定性或者消耗精氨酸,以限制病毒进入。随着疾病的发展,阻断体内胆固醇和脂肪酸合成以及抑制糖酵解来限制病毒扩增显得尤为重要,多种靶向不同代谢的药物联合使用可能会获得更有效的治疗效果。

此外,我们也关注了动物冠状病毒感染对宿主代谢的影响。目前对于动物冠状病毒在代谢方面的分子机制研究相对较少,大部分结果还集中在对于代谢组整体变动的描述。借鉴人类冠状病毒的研究基础,从代谢通路变化寻找关键靶点,进而用于治疗动物冠状病毒感染引发的动物疫病,也将是未来可以进一步拓展的研究领域。

总而言之,从代谢角度看冠状病毒与宿主的相互作用,是寻找抗冠状病毒新策略行之有效的手段。

利益冲突：无