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In the Beginning is the End: 从蝙蝠基因组学研究发现广谱抗病毒药物靶点和抗新冠病毒潜在药物分子

2020/03/31

2020年3月31日,清华大学结构生物学高精尖创新中心谭旭课题组在论文预印本网站BioRxiv在线刊登了题为《Orthogonal genome-wide screenings in bat cells identify MTHFD1 as a target of broad antiviral therapy》的最新成果。该研究由谭旭课题组与杜克-新加坡国立大学医学院的王林发课题组合作完成,通过对蝙蝠基因组进行功能筛选发现鉴定了一系列病毒依赖的宿主基因,并最终发现宿主蛋白MTHFD1的抑制剂carolacton可有效抑制新冠病毒复制。该研究成果不仅能助力新冠病毒药物研发,有力抗击疫情,更为人类未来抗击突发病毒流行打下基础。


为什么要研究广谱的抗病毒药物?


从SARS、埃博拉到2019年的新冠肺炎(COVID-19),病毒引起的传染性疾病一直是严重危害全球健康的主要病种之一。这些疫情发展史更让我们深刻体会到当务之急是对于广谱的抗病毒药物的研发。广谱抗病毒药物对于新发突发病毒感染的应急性治疗可以救重症病人于危难,对于降低死亡率和缓解疫情有不可估量的作用。传统的抗病毒药物以病毒蛋白作为靶点,因此很难针对多种不同类别的病毒发挥作用,而且病毒很容易通过突变自身基因产生耐药性。由于多种病毒在细胞内复制需要很多共同的宿主蛋白才能完成复制周期,所以针对病毒复制依赖的宿主蛋白的新型抗病毒药物可能具有广谱性和不易产生耐药性的优点。蝙蝠被广泛是SARS,埃博拉病毒和新冠病毒的天然宿主。该研究从蝙蝠基因组分析入手,使用领先的功能基因组学方法,系统地寻找病毒生命周期依赖的宿主因子,通过理解病毒-宿主因子的相互作用的分子机制来寻找新的抗病毒药物靶点,并进而成功的发现抗新冠病毒潜在药物分子 carolacton。


堪称“天然病毒库”的蝙蝠为何“百毒不侵”?


蝙蝠属于哺乳动物门翼手目,是唯一能真正飞行的哺乳动物。近年来蝙蝠由于被相继报导为一系列致病病毒的固有宿主而倍受关注。2003年的SARS,2014年的埃博拉以及2019年末开始暴发的的新冠肺炎均给世界各地带来了巨大的经济损失和心理恐慌。诸多证据支持蝙蝠是这些致病病毒的共同的天然宿主,病毒从蝙蝠到某个中间宿主传播最终导致了疫情的大规模暴发。令人不解的是,虽然蝙蝠可以携带多种致病病毒,但是这些病毒却不会对蝙蝠造成明显的症状。蝙蝠对病毒的高度耐受性可能也是其能携带并传播多种病毒的重要原因。蝙蝠的生理学研究和基因组测序结果为解释其耐受病毒的能力提供了多种解释,而功能基因组学筛选可以帮助我们进一步理解病毒感染蝙蝠细胞所需要的宿主因子。


蝙蝠与人类的病毒感染机制有何不同?


第一阶段研究:功能基因组学筛选

基于以上背景,课题组建立了第一个蝙蝠(黑妖狐蝠,Pteropus alecto)的全基因组CRISPR敲除文库并完成了黑妖狐蝠肾上皮细胞(PaKi细胞)的流感病毒感染的全基因组CRISPR筛选,从中找到了20多个病毒复制所依赖的宿主因子(图一)。

图一.蝙蝠细胞的全基因组CRISPR筛选找到一个RNA病毒复制的关键宿主因子MTHFD1,其抑制剂carolacton能有效抑制新冠病毒

在灵长类动物细胞系中的复制


与此同时,杜克-新加坡国立大学医学院的王林发课题组用RNA干扰(RNAi)的方法进行了蝙蝠细胞针对腮腺炎病毒感染的筛选,找到了数十个病毒依赖的宿主因子。通过对两个课题组的筛选结果进行比较,该研究发现其中都包括细胞内吞作用和蛋白分泌通路的重要基因,这些跟人类细胞的病毒感染是类似的,说明蝙蝠细胞和人类细胞的病毒感染对这些通路的依赖是保守的。除此之外,两组筛选都发现了一个共同的新的宿主基因MTHFD1。MTHFD1编码亚甲基四氢叶酸脱氢酶,是DNA和RNA的组成成分嘌呤碱基从头合成的重要代谢酶。非常有意思的是,以前的工作在人体细胞的全基因组筛选病毒宿主因子都没有发现MTHFD1。进一步的研究发现蝙蝠细胞的MTHFD1表达水平比人类相应组织的细胞要低很多,这可能和蝙蝠适应飞行生活的生理变化有关。


简而言之,谭旭课题组和合作者通过对蝙蝠细胞的两万多个基因进行系统全面的筛查,确定了数十个病毒复制所依赖的关键蝙蝠基因。这些基因在蝙蝠和人类中功能是保守的,但是基因表达水平的物种差异可能决定了病毒感染的不同的病理结果。


第二阶段研究:抑制剂carolacton的发现

研究进一步发现RNA病毒包括腮腺炎病毒,马六甲病毒,寨卡病毒等都对MTHFD1的缺失非常敏感,而MTHFD1的抑制剂carolacton对于上述病毒的复制有非常强的抑制作用。这个现象在蝙蝠和人类细胞都很显著。Carolacton是一种天然产物,被作为抗生素候选分子用于抑制细菌的菌膜生成。令人欣喜的是,通过与中国疾控中心合作,课题组发现carolacton也能有效的抑制新冠病毒在人体细胞中的复制,而且抗病毒有效浓度远远低于细胞毒性浓度,展示出了良好的成药性(图一)。


蝙蝠的基因筛查导致了MTHFD1这个全新的抗病毒药物靶点及carolacton这个抗病毒小分子的发现。这个结果也提示我们可以从研究蝙蝠的病毒感染机制中学习到如何应对病毒感染。


清华大学药学院博士生崔进,博士后叶倩,杜克-新加坡国立大学医学院的Danielle Anderson, 中国疾控中心的黄保英博士为论文的并列第一作者;清华大学结构生物学高精尖创新中心谭旭研究员和杜克-新加坡国立大学医学院王林发教授作为论文的共同通讯作者。该文章还得到了中国疾控中心谭文杰研究员,中科院动物所周旭明研究员,美国Duke大学的So Young Kim教授的大力帮助。此外,谭旭实验室的这项工作由清华大学疫情防控科技攻关应急专项课题,北京市结构生物学高精尖创新中心,清华-北大生命科学联合中心和国家自然基金委优秀青年基金联合资助。


研究者后续将在动物感染模型上进一步对carolacton及其衍生物的抗病毒功能进行临床前测试,希望能将这些分子为一种广谱抗病毒药物早日推向临床。MTHFD1相关的基因对病毒的影响及其药物靶向的研究也有望提供更多的候选药物分子。前期建立的全基因组筛选系统也将在针对蝙蝠的其它组织细胞,特别是免疫细胞的研究中发挥巨大作用,帮助研究者继续探寻蝙蝠的更多的奥秘。


原文链接:

https://biorxiv.org/cgi/content/short/2020.03.29.014209v1


供稿 清华大学药学院 合作发展办苍立楠