朱轩/陈福和/袁国勇合作团队为SARS-CoV-2高效率感染人类肺细胞提供新机制解释

朱轩/陈福和/袁国勇合作团队为SARS-CoV-2高效率感染人类肺细胞提供新机制解释

责编 | 酶美

严重急性呼吸综合征病毒-2(SARS-CoV-2)感染导致的2019冠状病毒病(COVID-19)给全球带来了严重的公共卫生危机。SARS-CoV-2在人与人之间的传播非常快,在过去一年的时间里,SARS-CoV-2在218个国家或者地区导致了8800多万宗感染病例,并有超过190万宗死亡病例为此,研究SARS-CoV-2如何高效率感染宿主细胞,有助于理解SARS-CoV-2传播和致病机制,并为治疗COVID19提供新的思路和方向。

近日,香港大学李嘉诚医学院朱轩博士/陈福和博士/袁国勇院士团队在Nature Communications 在线发表了题为 Host and viral determinants for efficient SARS-CoV-2 infection of the human lung的研究文章,利用人肺细胞(Calu3)和离体人肺组织(ex vivo human lung tissues),系统研究了SARS-CoV-2 高效感染人肺细胞和组织的机制。

朱轩/陈福和/袁国勇合作团队为SARS-CoV-2高效率感染人类肺细胞提供新机制解释
与人冠状病毒NL63(HCoV-NL63)和严重急性综合征病毒(SARS-CoV)一样,SARS-CoV-2利用人血管紧张素转换酶-2(ACE2)为受体入侵细胞。Heparan sulfate(HS)之前被报道有助于HCoV-NL63吸附和入侵宿主细胞。尽管SARS-CoV-2感染病人引起了严重的肺部损伤和疾病,但是病毒受体ACE2在肺部的表达量却很低。因此研究团队首先探讨了SARS-CoV-2是否可以吸附和结合HS,帮助其入侵宿主细胞。研究人员首先证实了HS 确实可以降低SARS-CoV-2 对Calu3和Caco2细胞表面的吸附以及在细胞内的复制,并进一步在离体人肺组织内得到证实。此外,和SARS-CoV-2一样,HS也可以减少SARS-CoV在细胞表面的吸附以及降低病毒在细胞和人肺组织中的复制。这表明HS在HCoV-NL63、SARS-CoV-2和SARS-CoV这三种均利用ACE2为受体的冠状病毒入侵宿主细胞的过程中,扮演着相同的功能。
唾液酸(Sialic acid)被证实可以帮助中东呼吸综合征病毒(MERS-CoV)更有效地入侵宿主细胞。研究人员接下来探讨了SARS-CoV-2是否可以利用sialic acid入侵宿主细胞。在Calu3细胞上,研究人员首先移除细胞表面的sialic acid,却得到了与MERS-CoV截然不同的结果, SARS-CoV-2 和SARS-CoV在细胞里的复制反而增加了。这表明细胞表面的sialic acid阻碍了SARS-CoV-2和SARS-CoV的入侵和复制。相比于SARS-CoV, SARS-CoV-2可以在一定程度上克服sialic acid的阻碍。这一结果进一步在Sialic acid  敲除293细胞(SLC35A1 KO 293 cell)和离体人肺组织中得到证实。作者推测有可能是病毒受体ACE2表面的糖基化阻碍了病毒与ACE2的结合,从而影响了病毒的入侵和复制。接下来,研究人员分析了ACE2的糖基化位点,并构建了一系列的糖基化位点缺失的ACE2突变体。通过SARS-CoV-2-S假病毒入侵实验和 SARS-CoV-2感染实验证实,ACE2蛋白上N90位点的糖基化对于SARS-CoV-2的入侵和复制影响最大。表面等离子实验(SPR)结果也表明,移除ACE2表面的糖基化之后,SARS-CoV-2 RBD蛋白与ACE2的结合力增强。
最后研究人员探讨了SARS-CoV-2 spike中“PRRA”四个氨基酸位点插入形成的类弗林蛋白酶(furin-like)切割位点对病毒入侵和复制的影响。作者在分离纯化S ARS-CoV-2的过程中得到一株突变病毒SARS-CoV-2 S1/S2 mut,该突变毒株的spike丢失了包含furin-like位点“RRAR”在内的三十个氨基酸。在BHK21和Huh7 细胞中,过表达ACE2和furin,SARS-CoV-2和SARS-CoV-2 S1/S2 mut的复制没有显著差异。研究人员随后将SARS-CoV-2和SARS-CoV-2 S1/S2 mut感染一系列非人和人细胞系,发现只有在人肺细胞Calu3中,SARS-CoV-2 S1/S2 mut复制比 SARS-CoV-2差。同时SARS-CoV-2-S假病毒入侵实验也表明,SARS-CoV-2 S1/S2 mut入侵Calu3比SARS-CoV-2效率低。这些都表明furin-like位点对于SARS-CoV-2入侵人肺细胞Calu3是必须的。为了探究这背后的机制,作者测试了不同细胞系蛋白酶TMPRSS2 Cathepsin L Cathepsin B 和furin的表达量。这些蛋白酶代表了冠状病毒入侵宿主细胞的两条途径:细胞膜表面和内体途径。相比于人类肝癌细胞Huh7,人类肠道细胞Caco2和肠道组织,人类肺细胞Calu3和肺组织中TMPRSS2和Cathepsin L表达量均较低,而furin表达量较高,因此furin-like位点对于SARS-CoV-2高效入侵人类肺细胞是必须的。同时在肺细胞中加弗林蛋白酶抑制剂的实验结果也证明了furin-like位点对于sars-cov-2入侵人类肺细胞是必须的。
总的来说,研究人员首先鉴定了SARS-CoV-2可以利用  heparan sulfate吸附和入侵宿主细胞;同时作者发现ACE2表面的 sialic acids 阻碍了SARS-CoV-2spike蛋白与ACE2蛋白的结合,但是与SARS-CoV相比,SARS-CoV-2在人肺细胞Calu3和离体人肺组织组织中在一定程度上可以克服这种阻碍;最后研究人员证实SARS-CoV-2 spike 中的furin-like 位点对于SARS-CoV-2在人肺细胞和肺组织中是必须的。这些研究和发现对SARS-CoV-2高效率在人类肺细胞中高效感染提供了新的机制解释。
朱轩/陈福和/袁国勇合作团队为SARS-CoV-2高效率感染人类肺细胞提供新机制解释
朱轩博士,现为香港大学李嘉诚医学院微生物系研究助理教授。朱轩博士课题组长期致力于冠状病毒入侵以及致病机理的研究。自2019年末新冠病毒爆发以来,朱轩博士带领自己课题组立马投入到对新冠病毒的研究,已陆续在《Cell research》《The Lancet Microbe》《Clinical Infectious Diseases》等期刊发表一系列研究论文。
香港大学李嘉诚医学院研究助理教授朱轩博士,香港大学李嘉诚医学院博士研究生胡冰杰 黄馨儿 柴悦为本论文共同第一作者;香港大学李嘉诚医学院袁国勇院士和陈福博士为共同通讯作者。
原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20457-w

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