《Cell:重大进展!包括新冠病毒在内的β冠状病毒利用溶酶体劫持和离开受感染细胞》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2020-11-02
  • 在一项新的研究中,来自美国国家卫生研究院(NIH)的研究人员发现了一种生物途径,当包括SARS-CoV-2在内的β冠状病毒在体内传播时,它们似乎可以利用这种生物途径劫持和离开细胞。更好地了解这一重要途径可能会在阻止这种导致COVID-19疾病的SARS-CoV-2冠状病毒的传播方面提供了重要的新见解。相关研究结果于2020年10月27日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“β-Coronaviruses use lysosomes for egress instead of the biosynthetic secretory pathway”。

    在细胞研究中,这些作者首次发现,β冠状病毒可以通过溶酶体---一种称为细胞“垃圾粉碎机(trash compactor)”的细胞器---离开受感染的细胞。通常情况下,溶酶体会在病毒和其他病原体离开细胞之前将它们摧毁。然而,这些作者发现,β冠状病毒会使得溶酶体的抗病机制失活,从而允许它在体内自由传播。

    靶向这种溶酶体途径有可能导致人们开发新的、更有效的抗病毒疗法来对抗COVID-19。在这项研究的结果发表时,正值全球新的COVID-19病例激增,相关的美国死亡人数接近22.5万人。

    一段时间以来,科学家们已经知道了病毒会进入并感染细胞,然后利用细胞的蛋白制造机器(即核糖体)进行多次自我复制,然后逃离受感染的细胞。然而,人们对病毒究竟是如何离开细胞的了解有限。

    长期以来,传统的观点认为,大多数病毒---包括流感病毒、丙型肝炎病毒(HCV)和西尼罗河病毒--都是通过所谓的生物合成分泌途径离开受感染细胞的。这是细胞用来将激素、生长因子和其他物质运输到周围环境的一条核心途径。科学家们一直以为β冠状病毒也使用这个途径。

    但是,在一项关键性的实验中,美国国家卫生研究院国家心肺血液研究所(NHLBI)宿主-病原体动力学实验室主任NihalAltan-Bonnet博士和她的博士后研究员Sourish Ghosh博士,发现了一些不同的东西。她和她的团队将β冠状病毒(特别是小鼠肝炎病毒)感染的细胞暴露在某些已知阻断生物合成途径的化学抑制剂中。Altan-Bonnet说,“令我们震惊的是,这些β冠状病毒竟然从细胞中逃出来了。这是第一个线索表明β冠状病毒也许使用另一条途径。”

    为了寻找这种途径,这些作者设计了额外的实验,使用了涉及人类细胞的显微成像和病毒特异性标志物。他们发现β冠状病毒以某种方式靶向高度酸性的溶酶体,并在那里聚集。

    这一发现给Altan-Bonnet团队提出了另一个问题:如果β冠状病毒积聚在溶酶体中而溶酶体又是酸性的,那么为什么它们在离开受感染细胞前没有被破坏?

    在一系列先进的实验中,这些作者证实在β冠状病毒感染的细胞中,溶酶体会被去酸化,大大削弱了它们的破坏性酶的活性。因此,这些冠状病毒仍然完好无损,并在离开受感染细胞时准备好感染其他细胞。

    Altan-Bonnet说,“这些冠状病毒非常狡猾。它们利用这些溶酶体逃出受感染细胞,但它们也在破坏溶酶体,所以这种细胞器无法完成它的工作或功能。”

    这些作者还发现,破坏正常的溶酶体功能似乎会损害受感染细胞的免疫机制。Altan-Bonnet说,“我们认为这个非常基本的细胞生物学发现可能有助于解释人们在临床上看到的一些关于COVID-19患者免疫系统异常的现象”。这包括细胞因子风暴,即COVID-19患者血液中过量的某些促炎蛋白会使得免疫系统不堪重负而导致较高的死亡率。

    鉴于这一机制已经被确定,科学家们或许可以找到破坏这一途径的方法来阻止溶酶体将病毒输送到细胞外;或者重新酸化溶酶体,以恢复它们在受到冠状病毒感染的细胞中的正常功能,从而使得这些细胞能够对抗COVID-19。这些作者已经发现了一种实验性的酶抑制剂,它可以有效地阻止冠状病毒离开细胞。

    她说,“这种溶酶体途径为靶向治疗提供了一种完全不同的思路。”她补充说,还需要开展进一步的研究来确定这种干预措施是否有效,以及现有的药物是否能帮助阻断这种途径。她指出,这些发现可能会对阻止未来可能出现的其他冠状病毒引起的大流行有很大帮助。

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    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
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    • 当冠状病毒---包括导致新型冠肺炎(COVID-19)的SARS-CoV-2病毒---感染人时,它会劫持人体的细胞,利用细胞的分子机制来维持自身的生存和传播。在一项新的研究中,来自美国格拉斯通研究所和陈-扎克伯格生物中心的研究人员与加州大学旧金山分校和Synthego公司的科学家合作,鉴定出人体细胞中冠状病毒用来生存的关键分子过程。他们报告说,用药物靶向这些过程,不仅可以治疗COVID-19感染,还可以治疗其他现有和未来的冠状病毒。相关研究结果于2020年12月8日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Genetic screens identify host factors for SARS-CoV-2 and common cold coronaviruses”。 论文共同通讯作者、格拉斯通病毒学研究所主任Melanie Ott博士说,“我们的研究的独特之处在于,我们并不只是研究SARS-CoV-2,而是同时研究其他冠状病毒。这让我们对可以广泛抑制许多冠状病毒的药物靶点有了很好的了解。” 作为一个庞大的病毒家族,冠状病毒包括引发普通感冒的冠状病毒和引发更严重症状的冠状病毒。2002年造成致命SARS疫情的SARS-CoV病毒就是一种冠状病毒,此外在中东地区造成MERS疫情的MERS-CoV病毒也是一种冠状病毒。 论文共同通讯作者、陈-扎克伯格生物中心首席研究员Andreas Puschnik博士说,“现在已经有多次冠状病毒疫情爆发,所以很明显这个病毒家族具有很高的流行潜力。COVID-19并不是我们要面对的最后一种冠状病毒感染。” 对冠状病毒进行比较和对比 与所有病毒一样,冠状病毒只能在宿主细胞内生长,它们依靠宿主细胞的分子进行增殖。正因为如此,这些作者希望将目标锁定在病毒用来生存的人类分子上,而不是病毒本身的成分。 在这项新的研究中,他们用SARS-CoV-2或其他两种引起普通感冒的冠状病毒(HCoV-229E和HCoV-OC43)感染人类细胞,这三种冠状病毒都能杀死这些细胞。接下来,他们使用CRISPR-Cas9基因编辑技术让这些细胞发生突变,并研究了哪些突变让它们不易受到这些冠状病毒的伤害。 Puschnik解释说,“我们推断,少数能够在这些感染中存活下来的细胞大概是这些冠状病毒用来感染它们或增殖的宿主分子发生了突变。” 一些结果并不令人惊讶。例如,已知SARS-CoV-2需要人类ACE2受体才能进入人体细胞。因此,ACE2基因发生突变的细胞不再被SARS-CoV2感染或杀死。 但是,其他发现则出乎意料。这些作者发现,某些基因突变阻止了这三种冠状病毒成功感染和杀死人体细胞。这些突变发生在已知控制人体细胞中两种脂质分子---胆固醇和磷脂酰肌醇磷酸酯(phosphatidylinositol phosphate, PIP)---平衡的基因上。 胆固醇是一些病毒进入细胞所需要的,但是当这项研究开始时,它还没有在冠状病毒的背景下进行研究。同样,已知PIP在形成病毒经常用来进入细胞内部和周围的小囊泡中起着作用,但它之前并没有与SARS-CoV-2直接相关联在一起。 通向药物开发的道路 为了验证与胆固醇和PIP相关的基因对冠状病毒感染的重要性这些作者设计了完全缺乏这些基因的人类细胞,并用冠状病毒感染它们。缺少这些基因的细胞受到保护,不会被这三种冠状病毒感染。同样,当他们使用现有的化合物来破坏PIP或胆固醇的平衡时,这些细胞也不太容易被任何一种冠状病毒感染。这些结果表明,靶向胆固醇或PIP可能是对抗多种冠状病毒的一个有前途的策略。 Ott说,“对于病毒来说,传统的观点是,我们针对独特的病毒靶点设计药物,这意味着每次有新的病毒时,开发一种药物都需要时间。如果我们能开发出一些更广泛的靶向宿主细胞分子的抗病毒药物,这将大大有助于我们更好地应对未来的大流行性病毒。” 然而,在这三种被研究的冠状病毒中,并非所有的结果都是一样的。SARS-CoV-2感染所需的一些人类分子并不是这两种普通感冒冠状病毒所需要的,反之亦然。这些发现可能有助于解释是什么让SARS-CoV-2比其他两种冠状病毒更致命。 还需要开展更多的研究工作来测试靶向PIP和胆固醇的药物的有效性,以及它们是否能够有效地阻止冠状病毒的生长而不会造成危险的副作用。这些作者还希望使用其他冠状病毒--包括SARS-CoV和MERS-CoV--重复筛查,以确定他们所确定的新靶标有多普遍。 Ott和Puschnik一致认为,这项新的研究是由于来自许多实验室的研究人员毫不犹豫地走到了一起才成为可能。Puschnik拥有研究病毒宿主因子的专业知识,但没有机会进入研究SARS-CoV-2所需的生物安全三级(BSL-3)实验室。今年早些时候,Ott正牵头在格拉斯通研究所开设这样一个实验室,并提出合作。Synthego公司的科学家们提供了研究这些冠状病毒所需的基因改造细胞,格拉斯通研究所高级研究员Nevan Krogan博士帮助分析CRISPR-Cas9筛选的结果。 Puschnik说,“每个人都完全愿意挽起袖子,集中资源,共同努力,帮助为更好地理解COVID-19做出贡献。”
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    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
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    • 在两项新的研究中,来自美国纽约大学和洛克菲勒大学等研究机构的研究人员发现SARS-CoV-2冠状病毒增殖和传播到其他细胞所必需的一种蛋白是未来疗法可能针对的一个潜在弱点。这种称为跨膜蛋白41 B(transmembrane protein 41 B, TMEM41B)的蛋白被认为在这种病毒在受感染细胞内复制和感染另一个细胞之前,帮助塑造保护病毒遗传物质的脂肪外膜。 这些作者发现TMEM41B对SARS-CoV-2的复制至关重要。在第一项研究中,通过开展一系列实验,他们将导致COVID-19疾病的SARS-CoV-2病毒在受感染细胞中的增殖与二十几种致命的黄病毒(包括黄热病病毒、西尼罗河病毒和寨卡病毒)中的相同过程进行了比较。相关研究结果于2020年12月8日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“TMEM41B is a pan-flavivirus host factor”。 在第二项研究中,他们还将SARS-CoV-2在受感染细胞中的增殖方式与已知导致普通感冒的其他三种季节性冠状病毒(HCoV-OC43、HCoV-NL63和HCoV-229E)进行了比较。相关研究结果于2020年12月9日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Genome-scale identification of SARS-CoV-2 and pan-coronavirus host factor networks”。 论文共同通讯作者、纽约大学格罗斯曼医学院医学助理教授John T. Poirier博士说,“总之,我们的研究首次证实了TMEM41B是黄病毒感染的关键因子,值得注意的是,它也是SARS-CoV-2等冠状病毒感染的关键因子。” Poirier说,“面对像COVID-19这样的新型传染病,重要的第一步是绘制分子图谱,看看你有什么潜在的靶标用来对抗它。将一种新发现的病毒与其他已知的病毒进行比较,可以揭示它们所需的共同宿主因子,我们希望它们可以作为未来疫情爆发的潜在分子弱点目录。” Poirier说,“虽然抑制TMEM41B是目前开发阻止冠状病毒感染的未来疗法的首要候选靶标,但我们的结果确定了一百多种其他蛋白,它们也可以作为潜在的药物靶点进行研究。” 在这两项新的研究中,这些作者使用基因编辑工具CRISPR对包括SARS-CoV-2在内的每种病毒感染的人体细胞中的19000多个基因中的每个基因进行灭活。然后,他们比较了每个基因失活对病毒复制能力的分子影响。 除了TMEM41B之外,这些作者还发现SARS-CoV-2和其他冠状病毒之间还共享约127个其他的分子特征。这些分子特征包括共同的生物反应或途径,这些途径涉及细胞生长、细胞间通信,以及细胞与其他细胞结合的手段。然而,他们表示,TMEM41B是被研究的这两个病毒家族(冠状病毒家族和黄病毒家族)中唯一突出的分子特征。 有趣的是,Poirier指出,TMEM41B基因的突变或改变在五分之一的东亚人身上很常见,但在欧洲或非洲人身上并不常见。然而,他提醒说,现在判断这是否解释了美国和其他地方的一些人群中COVID-19疾病的严重程度相对过高还为时过早。另一个研究结果是,与没有发生TMEM41B基因突变的细胞相比,具有这些突变的细胞对黄病毒感染的易感性降低了50%以上。 Poirier表示,还需要开展更多的研究来确定TMEM41B突变是否直接赋予了对COVID-19的保护,以及具有该突变的东亚人是否更不容易患上这种疾病。 这些作者下一步计划摸清TMEM41B在SARS-CoV-2复制中的确切作用,这样他们就可以开始测试可能阻断它的候选治疗方法。他们还计划研究具有类似潜在药物靶标的其他常见途径。 Poirier补充说,这些作者成功利用CRISPR绘制SARS-CoV-2的分子弱点图谱,为全球科学家面对未来的病毒疫情爆发提供了示范。