Cell：重磅！揭示新型冠状病毒SARS-CoV-2进入宿主细胞机制
来源：本站原创 2020-03-04 19:15
2020年3月4日讯/生物谷BIOON/---冠状病毒科（Coronaviridae）的几个成员在人群中不断传播并通常引起轻度呼吸道疾病。相反，严重急性呼吸综合征（SARS）冠状病毒（SARS-CoV）和中东呼吸综合征（MERS）冠状病毒（MERS-CoV）是从动物传播给人类的，分别在患病者中引起严重的呼吸道疾病SARS和MERS。SARS于2002年在中国
2020年3月4日讯/生物谷BIOON/---冠状病毒科（Coronaviridae）的几个成员在人群中不断传播并通常引起轻度呼吸道疾病。相反，严重急性呼吸综合征（SARS）冠状病毒（SARS-CoV）和中东呼吸综合征（MERS）冠状病毒（MERS-CoV）是从动物传播给人类的，分别在患病者中引起严重的呼吸道疾病SARS和MERS。SARS于2002年在中国广东省出现，其随后的全球蔓延与8096例病例和774例死亡有关。诸如果子狸之类的中间宿主促进了在人类中的传播，果子狸在中国的潮湿市场经常作为食物来源出售。目前，尚无抗击SARS的抗病毒药物或批准的疫苗，而且2002-2003年SARS疫情最终通过常规控制措施制止，包括出行限制和隔离患者。
2019年12月，中国湖北省武汉市出现了一种新的传染性呼吸道疾病。最初的感染人群与武汉华南海鲜市场有关，可能与动物接触有关。人与人之间的传播随后发生了，如今这种被称为COVID-19（coronavirus disease 19）的疾病在中国迅速传播。一种与SARS-CoV密切相关的新型冠状病毒SARS-CoV-2（之前称为2019年新型冠状病毒, 2019-nCoV）在患者中发现，被认为是这种新型肺部疾病的病原体。截止2020年2月12日，中国共报告了47730例实验室确诊感染，包括8204例严重病例和1114例死亡。在中国以外的24个国家中也发现了感染，并且与国际旅行有关。目前，尚不清楚SARS-CoV-2和SARS-CoV之间的序列相似性是否转化为相似的生物学特性，包括大流行潜力。
冠状病毒的刺突（S）蛋白（下称S蛋白）有助于病毒进入靶细胞。细胞进入取决于S蛋白的表面亚基S1与细胞受体的结合，这种结合有助于病毒附着至靶细胞的表面。另外，细胞进入需要通过细胞蛋白酶激活S蛋白（S protein priming），这需要在S蛋白的S1/S2和S2'位点切割这种蛋白，并允许病毒膜和细胞膜融合，这一过程由S蛋白的S2亚基驱动。SARS-CoV S蛋白以血管紧张素转换酶2（ACE2）作为进入受体，并利用细胞丝氨酸蛋白酶TMPRSS2激活S蛋白。已在原子水平上阐明了SARS-CoV S/ACE2界面，发现ACE2的使用效率是SARS-CoV传播能力的关键决定因素。SARS-CoV S蛋白和SARS-CoV-2 S蛋白具有大约76％的氨基酸序列一致性（sequence identity）。然而，人们仍不清楚SARS-CoV-2 S蛋白是否像SARS-CoV S蛋白那样使用ACE2和TMPRSS2进入宿主细胞。
在一项新的研究中，德国研究人员提供证据表明SARS-CoV-2的宿主细胞进入依赖于SARS-CoV受体ACE2，并且可以被临床证明的细胞丝氨酸蛋白酶TMPRSS2抑制剂阻断，而且TMPRSS2被SARS-CoV-2用于S蛋白激活。此外，这项研究还发现针对SARS-CoV产生的抗体反应可以至少部分地抵御SARS-CoV-2感染。这些结果对人们对SARS-CoV-2的可传播性和发病机理的理解具有重要意义，并揭示了进行治疗性干预的靶标。相关研究结果以论文手稿的形式在线发表在Cell期刊上，论文标题为“SARS-CoV-2 cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically-proven protease inhibitor”。
这一关于SARS-CoV-2利用S蛋白与ACE2的结合进入宿主细胞的发现也被Zhou和他的同事们报道过（Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2012-7），它提示着这种冠状病毒像SARS-CoV那样靶向一系列细胞。在肺部，SARS-CoV主要感染肺细胞和巨噬细胞。然而，ACE2的表达不仅限于肺部，而且还观察到SARS-CoV在ACE2+组织中的肺外扩散。虽然还需要比较SARS-CoV S蛋白和SARS-CoV-2 S蛋白对ACE2的亲和力，但是这些研究人员认为可以预期SARS-CoV-2也会如此。
有人已提出上呼吸道中的ACE2适度表达可能会限制SARS-CoV的传播。鉴于SARS-CoV-2相对于SARS-CoV的潜在传播性增加，人们可能推测相比于SARS-CoV，这种新型冠状病毒可能更高效地利用细胞附着促进因子来确保在上呼吸道的ACE2+细胞中建立强劲的感染。这可能包括与细胞聚糖的结合，这种结合是某些冠状病毒的S1亚基的功能。最后，应该指出的是，ACE2表达可保护肺部免受损伤，并被SARS-CoV S蛋白下调表达，这可能促进了呼吸道疾病SARS。因此，确定SARS-CoV-2是否也干扰ACE2表达将很有趣。
宿主细胞蛋白酶激活冠状病毒S蛋白对于病毒进入细胞至关重要，这种激活涉及在S蛋白的S1/S2和S2'位点进行切割。SARS-CoV-2 S蛋白的S1/S2切割位点含有多个精氨酸残基（multibasic），具有较高的裂解能力（即易被切割）。实际上，SARS-CoV-2 S蛋白在细胞中被有效地切割，并且切割后的S蛋白可被整合到VSV病毒颗粒中。值得注意的是，这种切割位点序列可以确定冠状病毒的人畜共患病潜力，并且与SARS-CoV-2存在最密切亲缘关系的冠状病毒RaTG13中并不存在一个含有精氨酸残基的切割位点。因此，确定SARS-CoV-2进入人细胞是否需要一个含有精氨酸残基的切割位点以及如何获得这个切割位点将是有趣的。
SARS-CoV S蛋白可以使用内体半胱氨酸蛋白酶CatB/L在TMPRSS2阴性细胞中激活S蛋白（Simmons等，2005）。然而，通过TMPRSS2而不是CatB/L激活S蛋白对于病毒进入初级靶细胞以及在受感染宿主中的病毒传播至关重要。这项新的研究表明，SARS-CoV-2的传播还依赖于TMPRSS2活性，不过这些研究人员注意到，阻断TMPRSS2活性的甲磺酸卡莫司他（camostat mesylate）抑制但不消除SARS-CoV-S2感染Calu-3细胞，这可能反映了CatB/L对残余S蛋白的激活作用。人们可以推测，正如针对MERS-CoV的报道那样，弗林蛋白酶（furin）在感染细胞中介导的S1/S2位点预先切割可能会促进随后的TMPRSS2依赖性靶细胞进入。总的来说，这些新的发现和先前的研究工作强调了TMPRSS2是一种宿主细胞因子，它对于几种临床相关病毒的传播至关重要，包括甲型流感病毒和冠状病毒。相比之下，TMPRSS2对于发育和体内平衡是必不可少的，因此构成了一种有吸引力的药物靶标。在这种情况下，值得注意的是，阻断TMPRSS2活性的丝氨酸蛋白酶抑制剂甲磺酸卡莫司他在日本已获准用于人类，尽管其适应症与SARS-CoV-2无关。因此，可能可以考虑将这种化合物或具有潜在增强的抗病毒活性的相关化合物用于未经临床试验验证地治疗SARS-CoV-2感染者。
恢复期的SARS患者表现出中和抗体反应，即使在感染后24个月也可以检测到，并且这种中和抗体反应主要针对SARS-CoV S蛋白。此外，含有重组S蛋白或灭活病毒的实验性SARS疫苗可诱导中和抗体反应。虽然基于传染性病毒的验证实验正在进行中，但是这项新研究的结果表明针对SARS-CoV S蛋白产生的中和抗体反应可能对SARS-CoV-2感染提供一些保护，这可能对疫情控制有影响。
总之，这项研究为SARS-CoV-2感染的第一步---病毒进入细胞---以及确定抗病毒干预的潜在靶标提供了至关重要的新见解。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Markus Hoffmann et al. SARS-CoV-2 cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically-proven protease inhibitor. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.02.052.
2019年12月，中国湖北省武汉市出现了一种新的传染性呼吸道疾病。最初的感染人群与武汉华南海鲜市场有关，可能与动物接触有关。人与人之间的传播随后发生了，如今这种被称为COVID-19（coronavirus disease 19）的疾病在中国迅速传播。一种与SARS-CoV密切相关的新型冠状病毒SARS-CoV-2（之前称为2019年新型冠状病毒, 2019-nCoV）在患者中发现，被认为是这种新型肺部疾病的病原体。截止2020年2月12日，中国共报告了47730例实验室确诊感染，包括8204例严重病例和1114例死亡。在中国以外的24个国家中也发现了感染，并且与国际旅行有关。目前，尚不清楚SARS-CoV-2和SARS-CoV之间的序列相似性是否转化为相似的生物学特性，包括大流行潜力。
冠状病毒的刺突（S）蛋白（下称S蛋白）有助于病毒进入靶细胞。细胞进入取决于S蛋白的表面亚基S1与细胞受体的结合，这种结合有助于病毒附着至靶细胞的表面。另外，细胞进入需要通过细胞蛋白酶激活S蛋白（S protein priming），这需要在S蛋白的S1/S2和S2'位点切割这种蛋白，并允许病毒膜和细胞膜融合，这一过程由S蛋白的S2亚基驱动。SARS-CoV S蛋白以血管紧张素转换酶2（ACE2）作为进入受体，并利用细胞丝氨酸蛋白酶TMPRSS2激活S蛋白。已在原子水平上阐明了SARS-CoV S/ACE2界面，发现ACE2的使用效率是SARS-CoV传播能力的关键决定因素。SARS-CoV S蛋白和SARS-CoV-2 S蛋白具有大约76％的氨基酸序列一致性（sequence identity）。然而，人们仍不清楚SARS-CoV-2 S蛋白是否像SARS-CoV S蛋白那样使用ACE2和TMPRSS2进入宿主细胞。
在一项新的研究中，德国研究人员提供证据表明SARS-CoV-2的宿主细胞进入依赖于SARS-CoV受体ACE2，并且可以被临床证明的细胞丝氨酸蛋白酶TMPRSS2抑制剂阻断，而且TMPRSS2被SARS-CoV-2用于S蛋白激活。此外，这项研究还发现针对SARS-CoV产生的抗体反应可以至少部分地抵御SARS-CoV-2感染。这些结果对人们对SARS-CoV-2的可传播性和发病机理的理解具有重要意义，并揭示了进行治疗性干预的靶标。相关研究结果以论文手稿的形式在线发表在Cell期刊上，论文标题为“SARS-CoV-2 cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically-proven protease inhibitor”。
图片来自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.02.052。
这一关于SARS-CoV-2利用S蛋白与ACE2的结合进入宿主细胞的发现也被Zhou和他的同事们报道过（Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2012-7），它提示着这种冠状病毒像SARS-CoV那样靶向一系列细胞。在肺部，SARS-CoV主要感染肺细胞和巨噬细胞。然而，ACE2的表达不仅限于肺部，而且还观察到SARS-CoV在ACE2+组织中的肺外扩散。虽然还需要比较SARS-CoV S蛋白和SARS-CoV-2 S蛋白对ACE2的亲和力，但是这些研究人员认为可以预期SARS-CoV-2也会如此。
有人已提出上呼吸道中的ACE2适度表达可能会限制SARS-CoV的传播。鉴于SARS-CoV-2相对于SARS-CoV的潜在传播性增加，人们可能推测相比于SARS-CoV，这种新型冠状病毒可能更高效地利用细胞附着促进因子来确保在上呼吸道的ACE2+细胞中建立强劲的感染。这可能包括与细胞聚糖的结合，这种结合是某些冠状病毒的S1亚基的功能。最后，应该指出的是，ACE2表达可保护肺部免受损伤，并被SARS-CoV S蛋白下调表达，这可能促进了呼吸道疾病SARS。因此，确定SARS-CoV-2是否也干扰ACE2表达将很有趣。
宿主细胞蛋白酶激活冠状病毒S蛋白对于病毒进入细胞至关重要，这种激活涉及在S蛋白的S1/S2和S2'位点进行切割。SARS-CoV-2 S蛋白的S1/S2切割位点含有多个精氨酸残基（multibasic），具有较高的裂解能力（即易被切割）。实际上，SARS-CoV-2 S蛋白在细胞中被有效地切割，并且切割后的S蛋白可被整合到VSV病毒颗粒中。值得注意的是，这种切割位点序列可以确定冠状病毒的人畜共患病潜力，并且与SARS-CoV-2存在最密切亲缘关系的冠状病毒RaTG13中并不存在一个含有精氨酸残基的切割位点。因此，确定SARS-CoV-2进入人细胞是否需要一个含有精氨酸残基的切割位点以及如何获得这个切割位点将是有趣的。
SARS-CoV S蛋白可以使用内体半胱氨酸蛋白酶CatB/L在TMPRSS2阴性细胞中激活S蛋白（Simmons等，2005）。然而，通过TMPRSS2而不是CatB/L激活S蛋白对于病毒进入初级靶细胞以及在受感染宿主中的病毒传播至关重要。这项新的研究表明，SARS-CoV-2的传播还依赖于TMPRSS2活性，不过这些研究人员注意到，阻断TMPRSS2活性的甲磺酸卡莫司他（camostat mesylate）抑制但不消除SARS-CoV-S2感染Calu-3细胞，这可能反映了CatB/L对残余S蛋白的激活作用。人们可以推测，正如针对MERS-CoV的报道那样，弗林蛋白酶（furin）在感染细胞中介导的S1/S2位点预先切割可能会促进随后的TMPRSS2依赖性靶细胞进入。总的来说，这些新的发现和先前的研究工作强调了TMPRSS2是一种宿主细胞因子，它对于几种临床相关病毒的传播至关重要，包括甲型流感病毒和冠状病毒。相比之下，TMPRSS2对于发育和体内平衡是必不可少的，因此构成了一种有吸引力的药物靶标。在这种情况下，值得注意的是，阻断TMPRSS2活性的丝氨酸蛋白酶抑制剂甲磺酸卡莫司他在日本已获准用于人类，尽管其适应症与SARS-CoV-2无关。因此，可能可以考虑将这种化合物或具有潜在增强的抗病毒活性的相关化合物用于未经临床试验验证地治疗SARS-CoV-2感染者。
恢复期的SARS患者表现出中和抗体反应，即使在感染后24个月也可以检测到，并且这种中和抗体反应主要针对SARS-CoV S蛋白。此外，含有重组S蛋白或灭活病毒的实验性SARS疫苗可诱导中和抗体反应。虽然基于传染性病毒的验证实验正在进行中，但是这项新研究的结果表明针对SARS-CoV S蛋白产生的中和抗体反应可能对SARS-CoV-2感染提供一些保护，这可能对疫情控制有影响。
总之，这项研究为SARS-CoV-2感染的第一步---病毒进入细胞---以及确定抗病毒干预的潜在靶标提供了至关重要的新见解。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Markus Hoffmann et al. SARS-CoV-2 cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically-proven protease inhibitor. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.02.052.
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