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。
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和博士为共同通讯作者。
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20457-w
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