过去19个月的不懈努力,加之数十年的冠状病毒研究,我们正逐渐解开新冠病毒是如何一步步侵入人体细胞的(见“新冠病毒的生命周期”)。研究人员确定了新冠病毒能以出人意料的力量抓住人体细胞,而后立即遁形的关键适应机制。随后,新冠病毒离开细胞时又会使出关键一招,令其病毒颗粒能继续感染更多人体细胞。这是新冠病毒用来迅速传播、夺人性命的一些招数。帝国理工学院病毒学家Wendy Barclay说:“这是新冠病毒难以遏制的原因。”
以Alpha变异株为例,它在刺突蛋白序列上有10个突变,导致RBD更有可能保持“向上”的状态[6]。“这能让病毒更易进入细胞。”美国北卡罗来纳州杜克人类疫苗研究所的结构生物学家Priyamvada Acharya说。Acharya正在研究刺突蛋白的突变。
目前Delta变异株正在世界各地传播,它在S1亚基上有多个突变,包括RBD上的3个突变,这3个突变似乎不仅能提高RBD与ACE2的亲和力,还能提高其逃逸免疫系统的能力[7]。
这一发现还指出,蛋白酶抑制剂是一种很有希望的治疗选项,可以防止病毒利用TMPRSS2、组织蛋白酶L或其他蛋白酶进入宿主细胞。camostat mesylate是一种TMPRSS2抑制剂,日本已将其批准用于治疗胰腺炎。这种抑制剂能阻断病毒进入肺部细胞[8],但无法在初步临床试验中提高病人的治疗转归[11]。
“依我看,我们应当将这种蛋白酶抑制剂作为广谱抗病毒药物,防止新的疾病发展为大流行,将其遏制在萌芽阶段。”德国灵长类研究中心感染生物学部主任Stefan Pöhlmann说。Pöhlmann领导开展了ACE2结合和TMPRSS2途径的研究。
新冠病毒有很多将细胞机器占为己用的策略。病毒学家Noam Stern-Ginossar和她在以色列魏茨曼科学研究所的团队重点研究了新冠病毒抑制宿主mRNA翻译、促进自身mRNA翻译的三种机制。虽然这三种机制并非新冠病毒所独有,但这些作用的结合、速度和程度看来确实是独一无二的,Stern-Ginossar说。
第一,新冠病毒会清除竞争对手:病毒蛋白Nsp1是新冠病毒抵达时首先被翻译的蛋白之一,它会把宿主蛋白质招募起来,系统性地切割所有不带病毒标记的细胞mRNA。如果Stern-Ginossar的团队将同样的病毒标记放在宿主mRNA的末端,这个mRNA就不会被切割[12]。
第二,感染会让细胞内全部蛋白质翻译减少70%。Nsp1依然是捣蛋分子,这一次它能阻断核糖体的入胞渠道,让mRNA无法进入,两个研究团队分别得出了以上结论[13,14]。剩下不多的翻译能力全被用来翻译病毒RNA,Stern-Ginossar说。
第三,新冠病毒会关闭细胞的预警系统。这有很多方式,但Stern-Ginossar的团队发现了新冠病毒的一个明确机制:病毒让细胞mRNA无法离开细胞核,包括提醒免疫系统注意感染的蛋白质的指令。另一个团队证实了这个结果,再次将矛头指向Nsp1:这个蛋白似乎会阻塞离开细胞核的通道,一个不让逃走[15]。
由于基因转录本无法离开细胞核,因此受感染的细胞不会释放许多干扰素——干扰素是提醒免疫系统注意病毒的信号蛋白。新冠病毒关闭这一预警系统的速度尤其快:和其他呼吸道病毒相比,包括SARS病毒和呼吸道合胞病毒,新冠病毒感染后诱导的干扰素水平显著降低[16]。今年6月,研究人员报道了Alpha变异株的突变似乎能更有快地减少干扰素的产生[17]。
“新冠病毒明显是个动作很快的病毒,具有非常独特的能力,能从源头上扰乱免疫系统识别病毒和抵抗感染的能力。”Stern-Ginossar说。等到免疫系统真正发现有病毒时,病毒数量已经太多了,致使免疫应答蛋白有时会比平常更快地充斥在血液中,而这可能对人体有害。临床医生在疫情很早就发现,有些发展成重症的COVID-19患者除了受到病毒本身的袭击外,过度激活的免疫应答也造成了一定伤害。一些经证明有效的疗法专门抑制这种免疫应答。
参与制造DMVs的蛋白或许是很好的药物靶点,因为它们对病毒复制好像起着不可或缺的作用。比如,TMEM41B这种宿主蛋白必须被用来调动胆固醇和其他脂质来扩大内质网膜,以便所有病毒成分都能进入其中[20]。“把TMEM41B拿走会对感染产生很大影响。”参与这项研究的得克萨斯大学医学部的新冠病毒研究员Vineet Menachery说。此外,新冠病毒跨膜蛋白Nsp3也可作为药物靶点:它会在DMVs上形成冠状孔,将制造好的病毒RNA转运出去[21]。
大部分具有外层膜(即包膜)的病毒获得这一特征的方式是直接在细胞边缘组装,并在离开的路上选择一些细胞自己的质膜。但新制造好的冠状病毒蛋白会选择另一个途径。
多年来的证据已经表明,冠状病毒会通过高尔基复合体转出细胞。高尔基复合体是具有邮局功能的细胞器,能将分子包在膜内,运送至细胞其他部位。病毒会在那里从高尔基体膜形成一个脂质包膜;新形成的病毒颗粒再在高尔基囊泡中转运到细胞表面,并分泌到胞外,美国约翰斯·霍普金斯大学病毒学家、生物学家Carolyn Machamer说。Machamer研究冠状病毒已经有30年了。
但在去年12月,美国国家心脏、肺和血液研究所的细胞生物学家Nihal Altan-Bonnet和她的同事报道,他们发现了冠状病毒会通过溶酶体离开细胞——溶酶体是细胞的垃圾桶,拥有很多能分解细胞成分的酶[22]。阻断基于高尔基体的分泌途径似乎不会影响释放的感染病毒数量,Altan-Bonnet说。她团队的证据[22]显示,病毒蛋白在内质网出芽形成包膜,再占用溶酶体离开细胞。目前,该团队正在检测阻断溶酶体出胞过程的抑制剂是否能成为潜在的抗病毒药物。
无论是通过高尔基体还是溶酶体离开细胞,都比通过质膜出芽要慢、效率也更低,所以研究人员不明白新冠病毒为什么会这么做。Machamer推测,相比质膜,来自高尔基体或溶酶体的包膜的脂质组成好像对新冠病毒更有利。“如果我们能更好地理解这个部分,就有很大的机会找到新的抗病毒疗法。”她说。
这不是研究人员第一次在病毒上发现弗林切割位点;致病性很高的禽流感病毒也有这个位点,Barclay说。当一位同事把培养的自然失去弗林切割位点的新冠病毒变异株给到Barclay时,她的团队发现感染该毒株的雪貂比感染大流行毒株的雪貂脱落的病毒颗粒更少,而且不会将病毒传给周围的动物[9]。正当Barclay的团队准备在2020年9月的预印本论文中报道该结果时,荷兰的一项研究也发现,拥有完整弗林切割位点的冠状病毒进入人气道细胞的速度比没有弗林切割位点的更快[24]。
研究人员推测弗林会在病毒颗粒组装过程中或是释放前切割该位点。这个时间点解释了新冠病毒为何会通过高尔基体或溶酶体离开细胞,芝加哥洛约拉大学的病毒学家Tom Gallagher说。“这个病毒一经组装就会移动到周围都是弗林蛋白酶的细胞器中。”
通过剪切S1和S2亚基之间的连接键,弗林酶切让病毒颗粒的刺突蛋白松开,以便它们在进入细胞时对TMPRSS2的二次切割产生反应,这次切割暴露出的疏水性区域会快速将自己嵌入宿主细胞膜内,Gallagher说。如果刺突蛋白没有被弗林蛋白预先切开——有时也不会被切开——它们就会绕开TMPRSS2,通过更慢的核内体途径进入细胞,或是根本不进入细胞。
Alpha和Delta变异株的弗林切割位点都发生了变化。Alpha变异株将本来的脯氨酸替换成组氨酸(P681H);Delta变异株则替换成了精氨酸(P681R)。这两个变化都会减少序列的酸性;而且氨基酸链越基础,它们被弗林识别切割的效果也更好,Barclay说。“我们的假设是,这体现出新冠病毒的传递能力增强了。”
更多弗林酶切意味着更多刺突蛋白准备好进入人体细胞。SARS病毒只有不到10%的刺突蛋白做好了这种准备,Menachery说。Menachery的实验小组一直在量化这些做好准备的刺突蛋白,但研究成果尚未发表。对新冠病毒来说,这个比例上升至50%,而Alpha毒株超过了50%,该团队发现,在传染性很强的Delta毒株中,75%以上的刺突蛋白准备好继续感染人体细胞。
但是,现在还不确定Delta携带的突变如何以这种方式为其毒力加码,Stern-Ginossar说,“许多实验室正在竭力回答这些问题。”
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原文以How the coronavirus infects cells — and why Delta is so dangerous标题发表在2021年7月28日的《自然》的新闻特写版块上