关键词:
新型冠状病毒
Nsp13
CREB1
解旋酶
病毒复制
摘要:
新型冠状病毒(SARS-CoV-2)引起的新型冠状病毒感染(COVID-19)全球性爆发严重威胁了人类健康。尽管对于SARS-CoV-2已经有了广泛且深入的研究,但冠状病毒与宿主相互作用机制的进一步阐明,以揭示病毒如何入侵宿主细胞、复制及传播是至关重要的。目前对抗新型冠状病毒药物的研发主要集中于靶向病毒RNA聚合酶(RdRp)、蛋白酶(Mpro)等病毒复制的关键位点。但随着新型冠状病毒的持续感染及不断变异,有限的治疗方案导致部分抗病毒药物的效力在显著减弱,因此研发新的抗冠状病毒药物具有重要的公共卫生及社会意义。
2020年Gordon等人通过亲和纯化质谱(AP-MS)高通量筛选,发现了 332种能够与新型冠状病毒蛋白相互作用的宿主蛋白。其中我们关注到新型冠状病毒非结构蛋白13(non-structural protein 13,Nsp13)与宿主蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)之间可能存在相互作用,同时由于Nsp13作为新型冠状病毒复制过程中的关键酶,以及其高度保守的氨基酸序列,使其成为药物干预的有效靶点。基于这一发现,我们进一步进行了免疫共沉淀实验(Co-IP),确认Nsp13蛋白与宿主cAMP激活蛋白激酶催化亚基α(PRKACA)及其下游的环腺苷酸反应元件结合蛋白(Cyclic AMP-responsive element-binding protein 1,CREB1)均存在相互作。并通过免疫荧光实验,在感染了SARS-CoV-2的细胞及肺部组织切片中发现Nsp13与PRKACA及CREB1共定位于细胞质中。此外,通过Far western及点印记(dot blotting)等实验证明,宿主CREB1与病毒蛋白Nsp13的2A结构域之间存在直接相互作用。通过进一步的蛋白对接实验计算出其可能存在相互作用的氨基酸位点,并通过点突变实验证明,这些位点的突变会显著减弱Nsp13与CREB1的相互作用。上述实验均证实宿主CREB1与病毒蛋白Nsp13之间存在直接相互作用。
由于Nsp13的2A结构域对其解旋酶活性至关重要,因此我们利用基于荧光能量共振转移(Fluorescence resonance energy transfer,FRET)的实验方法对Nsp13的解旋酶活性进行了检测。实验结果显示,与Nsp13单独孵育相比,Nsp13与CREB1共同孵育后能够显著增强Nsp13的ATP酶及解旋酶活性。此外,虽然宿主PKA对Nsp13的活性没有直接的调控作用,但实验证明其对CREB1的磷酸化会显著增强CREB1对Nsp13解旋酶活性的促进作用。
鉴于Nsp13的解旋酶活性与冠状病毒的增殖密切相关,为此,本研究进一步探究了PKA-CREB1信号通路对冠状病毒增殖的影响。首先使用新型冠状病毒互补系统对病毒的增殖水平进行研究,该系统产生的病毒样颗粒可以在生物安全二级实验室中操作并模拟新型冠状病毒的生命周期。通过在细胞水平敲低或抑制宿主PRKACA和CREB1的表达水平及活性,我们观察到新型冠状病毒的增殖显著受到抑制。上述结果提示了冠状病毒利用宿主因子来促进自身增殖的策略,同时相较于宿主蛋白,病毒蛋白存在变异的可能性更高,因此为避免产生耐药毒株的风险,本研究靶向宿主因子,使用PKA及CREB1的特异性抑制剂来评价其抗病毒效果。在新型冠状病毒实毒感染实验中,使用PKA或CREB1活性的抑制剂(H89或666-15)处理A549-hACE2细胞后,对于早期分离株(WIV04)和奥密克戎株(Omicron)的感染均表现出显著的抗病毒效果。值得注意的是,相较于瑞德西韦(Remdesivir)的IC50 1.76μM,CREB1的抑制剂666-15表现出更佳的抗病毒效果,其IC50为732.9nM。
为了进一步研究该药物在动物水平对新型冠状病毒感染的抑制效果,本研究使用新型冠状病毒鼠适应株(C57MA14)感染小鼠进行实验。结果显示,使用药物666-15预给药后的小鼠感染后生存率显著上升,同时在小鼠的肺部组织切片中也发现其肺部炎性细胞浸润、血管出血、肺泡狭窄等病理现象也有显著的缓解,这一结果提示PKA-CREB1信号通路可能与新型冠状病毒的致病机制密切相关。
本研究证明了宿主CREB1与新型冠状病毒解旋酶Nsp13之间存在直接相互作用,并且阐明了新型冠状病毒利用宿主因子协助自身增殖的策略及机制,同时发现PKA及CREB1的抑制剂能够显著抑制SARS-CoV-2的增殖水平。综上,这项研究的结果解释了PKA-CREB1信号通路对新型冠状病毒增殖的重要影响,并且,由于解旋酶Nsp13在冠状病毒增殖中的重要作用,PKA-CREB1很有可能作为新的用于治疗冠状病毒感染的靶点,CREB1抑制剂666-15的有效性也在实验中得到了