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较真丨清华等团队从蝙蝠中发现新冠病毒抑制剂,对新药研发有何意义?

较真要点:

  • 1清华大学等团队从蝙蝠细胞的基因中筛选出了MTHFD1基因,该基因是不少RNA病毒复制的必需基因,它所表达的酶可以帮助催化病毒合成新的核苷(酸),促进病毒复制。
  • 2该基因在蝙蝠体内的表达水平相比人类是很低的,这可能是蝙蝠携带病毒却无症状的原因之一。
  • 3研究发现“天然药物”carolacton可以显著抑制MTHFD1基因所表达酶的活性,从而抑制病毒的复制过程。它有可能作为一种广谱的抗病毒分子,助力新冠病毒药物研发。

查证者:VC丨病原生物学博士,科普作者

3月31日,清华大学结构生物学高精尖创新中心、杜克-新加坡国立大学医学院等团队发表了一项名为“Orthogonal genome-wide screenings in bat cells identify MTHFD1 as a target of broad antiviral therapy”的研究(未经同行评议),研究者从蝙蝠细胞的基因中筛选发现了MTHFD1基因,这个基因所表达的亚甲基四氢叶酸脱氢酶可以促进病毒的复制,而黏菌的代谢产物carolacton可以抑制该酶的活性,从而有效抑制新冠病毒复制

一、MTHFD1基因是怎么筛选出来的?

1、实验细胞溯源

实验的对象是蝙蝠来源的肾脏上皮细胞Paki细胞。对于Paki细胞,可以追溯到2009年,同样也是此次研究的作者之一的王林发教授发表的一篇文章 。

作者当时将从蝙蝠的各种组织里提取的细胞进行原代培养(由体内取出组织或细胞进行的首次培养),原代培养一般只能培养10代左右就会死亡,不能长期培养,所以实验室经常使用的细胞都是永生化的,比如癌细胞等等,因而作者开始对分离的蝙蝠细胞进行永生化。永生化的细胞便于实验研究。

用的策略有两种一种是使用猿猴病毒40(SV40)的大T抗原诱导细胞的癌变实现永生化,另外一种策略是通过外源表达端粒酶实现细胞永生。我们知道染色体是线性的DNA,DNA复制的时候其长度是在不断缩短的,缩短的部分就是端粒。端粒缩短到最后染色体就不能再复制,细胞就会死亡。而端粒酶(TERT)在某些细胞,比如癌细胞中表达丰富,可以延长端粒,使得这些细胞的寿命不受限制。所以转入端粒酶也可以使得原代细胞永生化。

作者虽然原代培养了很多蝙蝠组织,但是通过以上两种方法最终实现永生化的只有四个组织来源的成功了:脑(brain)、肺(lung)、肾(kidney)和胎兽(Foetus)。而清华等团队此次研究使用的就是来源于蝙蝠肾脏组织的建系细胞——PaKi

2、怎么能知道哪些基因参与了病毒的复制?

不管什么生物,其基因数量都是庞大的,怎么在茫茫基因库中找寻到可以影响病毒复制的关键基因呢?

此次研究者首先通过CRISPR全基因组敲除筛选,使甲型流感病毒感染蝙蝠的肾上皮细胞Paki细胞,筛选出了20多个流感病毒复制所依赖的关键基因。又用腮腺炎病毒感染细胞,通过RNA干扰(RNAi)的方式筛选出了另一部分腮腺炎病毒复制依赖的基因

这两个筛选策略筛选到的基因主要与蛋白分泌(与病毒出胞相关)、内吞(与病毒入胞相关)和蛋白翻译起始相关,且两组筛选到的基因里,都有MTHFD1

3、筛选到的MTHFD1是不少RNA病毒复制的必需基因,

研究发现,缺失了MTHFD1之后,流感病毒、腮腺炎病毒和寨卡病毒的复制水平都会降低。

二、MTHFD1如何影响病毒复制?该基因在人与蝙蝠中表达水平有何不同?

既然已经筛选到了MTHFD1,那么这个基因所表达蛋白的什么特性起到了辅助病毒复制的作用呢?

MTHFD1表达的亚甲基四氢叶酸脱氢酶具有几个不同的催化活性,包括脱氢酶、环化水解酶和四氢叶酸合成酶三种活性,研究发现,合成酶结构域突变的MTHFD1将不能辅助病毒的复制。所以,对于病毒复制来说,MTHFD1的关键功能在于合成酶这一步,亚甲基四氢叶酸脱氢酶可以帮助催化病毒合成新的核苷酸

既然MTHFD1是利用蝙蝠筛选出来的基因,那么这个基因在蝙蝠和人体里面表达水平有何不一样呢?

研究发现,MTHFD1这个基因在黑妖狐蝠(或中央狐蝠)、大长舌果蝠两种果蝠里的表达水平要低于人类,此处用的人的细胞包括胚胎肾脏细胞(293T)、肺腺癌细胞(A549)和肝癌细胞(Huh7)。在肝脏和脾脏的组织中,两种果蝠的MTHFD1表达水平也低于人类。

这可能暗示了为什么病毒在蝙蝠中致病性会弱,推测是因为MTHFD1在蝙蝠体内表达水平偏低,进而导致病毒在蝙蝠里的复制水平可能要低于人类。

三、如何利用这个靶标研发新药?

既然已经知道了MTHFD1的合成酶功能可以显著促进病毒的复制,那么有没有抑制这个酶活性的抑制剂呢?有的话它是不是可以作为抑制病毒复制的广谱抗病毒药物?

实际上还真有,这就是一种来源于大自然的的产物——carolacton。这种分子来自于纤维囊黏液杆菌(myxobacterium Sorangium cellulosum

作为黏菌来源的代谢产物,首先想到的肯定是用于细菌感染的治疗,实际上carolacton是一种对致病突变肺炎链球菌(mutant S. pneumoniae)形成生物膜的有效抑制剂。

2017年的一项研究表明carolacton可以抑制MTHFD1酶的活性,有效浓度是纳摩尔级别。既然能抑制MTHFD1,那么carolacton是不是可以抑制依赖MTHFD1复制的病毒呢?答案是肯定的。

此次研究发现carolacton对寨卡病毒和腮腺炎病毒的半数有效抑制浓度(抑制一半病毒复制需要的浓度)都在纳摩尔级别(0.24μM和0.12μM),而且半数细胞毒性(引起一半细胞死亡的浓度)在10μM以上(换算出的选择指数SI>41.7、83)。

目前新冠病毒正在流行,作为蝙蝠来源的病毒,carolacton是不是对新冠病毒也有抑制作用?答案也是肯定的——半数有效抑制浓度为0.14μM。相比较之下,比之前石正丽研究员筛选瑞德西韦得到半数有效抑制浓度0.77μM要低。

和之前日本东京大学通报的萘莫司他一样,carolacton针对的靶点是宿主分子,不像瑞德西韦针对的靶标是病毒蛋白,所以它有可能可作为一种广谱的抗病毒分子助力新冠病毒药物研发,并且不太可能产生耐药性。不过carolacton在体内使用是否具有毒性还需要进一步的评价。

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