最新研究成果 | 清華大學(xué)藥學(xué)院譚旭課題組從蝙蝠基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)廣譜抗病毒藥物靶點(diǎn)和抗新冠病毒潛在藥物分子
時(shí)間：2021-04-09 00:30:05學(xué)院：藥學(xué)院學(xué)校：清華大學(xué)
2020年3月31日，清華大學(xué)藥學(xué)院譚旭課題組在論文預(yù)印本網(wǎng)站BioRxiv在線刊登了題為《蝙蝠細(xì)胞全基因組篩選發(fā)現(xiàn)一種廣譜抗病毒藥物靶點(diǎn)-MTHFD1》（Orthogonal genome-wide screenings in bat cells identify MTHFD1 as a target of broad antiviral therapy）的最新成果。該研究由譚旭課題組與杜克-新加坡國(guó)立大學(xué)醫(yī)學(xué)院的王林發(fā)課題組合作完成，通過對(duì)蝙蝠基因組進(jìn)行功能篩選發(fā)現(xiàn)鑒定了一系列病毒依賴的宿主基因，并最終發(fā)現(xiàn)宿主蛋白MTHFD1的抑制劑carolacton可有效抑制新冠病毒復(fù)制。該研究成果不僅能助力新冠病毒藥物研發(fā)，有力抗擊疫情，更為人類未來抗擊突發(fā)病毒流行打下基礎(chǔ)。
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一、為什么要研究廣譜的抗病毒藥物？
從SARS、埃博拉到2019年的新冠肺炎(COVID-19)，病毒引起的傳染性疾病一直是嚴(yán)重危害全球健康的主要病種之一。這些疫情發(fā)展史更讓我們深刻體會(huì)到當(dāng)務(wù)之急是對(duì)于廣譜的抗病毒藥物的研發(fā)。廣譜抗病毒藥物對(duì)于新發(fā)突發(fā)病毒感染的應(yīng)急性治療可以救重癥病人于危難，對(duì)于降低死亡率和緩解疫情有不可估量的作用。傳統(tǒng)的抗病毒藥物以病毒蛋白作為靶點(diǎn)，因此很難針對(duì)多種不同類別的病毒發(fā)揮作用，而且病毒很容易通過突變自身基因產(chǎn)生耐藥性。由于多種病毒在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制需要很多共同的宿主蛋白才能完成復(fù)制周期，所以針對(duì)病毒復(fù)制依賴的宿主蛋白的新型抗病毒藥物可能具有廣譜性和不易產(chǎn)生耐藥性的優(yōu)點(diǎn)。蝙蝠被廣泛認(rèn)為是SARS，埃博拉病毒和新冠病毒的天然宿主。該研究從蝙蝠基因組分析入手，使用領(lǐng)先的功能基因組學(xué)方法，系統(tǒng)地尋找病毒生命周期依賴的宿主因子，通過理解病毒-宿主因子的相互作用的分子機(jī)制來尋找新的抗病毒藥物靶點(diǎn)，并進(jìn)而成功的發(fā)現(xiàn)抗新冠病毒潛在藥物分子 carolacton。
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二、堪稱“天然病毒庫”的蝙蝠為何“百毒不侵”？ ??
蝙蝠屬于哺乳動(dòng)物門翼手目，是唯一能真正飛行的哺乳動(dòng)物。近年來蝙蝠由于被相繼報(bào)導(dǎo)為一系列致病病毒的固有宿主而倍受關(guān)注。2003年的SARS，2014年的埃博拉以及2019年末開始暴發(fā)的的新冠肺炎均給世界各地帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和心理恐慌。諸多證據(jù)支持蝙蝠是這些致病病毒的共同的天然宿主，病毒從蝙蝠到某個(gè)中間宿主傳播最終導(dǎo)致了疫情的大規(guī)模暴發(fā)。令人不解的是，雖然蝙蝠可以攜帶多種致病病毒，但是這些病毒卻不會(huì)對(duì)蝙蝠造成明顯的癥狀。蝙蝠對(duì)病毒的高度耐受性可能也是其能攜帶并傳播多種病毒的重要原因。蝙蝠的生理學(xué)研究和基因組測(cè)序結(jié)果為解釋其耐受病毒的能力提供了多種解釋，而功能基因組學(xué)篩選可以幫助我們進(jìn)一步理解病毒感染蝙蝠細(xì)胞所需要的宿主因子。
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三、蝙蝠與人類的病毒感染機(jī)制有何不同？
第一階段研究：功能基因組學(xué)篩選
基于以上背景，課題組建立了第一個(gè)蝙蝠（黑妖狐蝠,Pteropus alecto）的全基因組CRISPR敲除文庫并完成了黑妖狐蝠腎上皮細(xì)胞（PaKi細(xì)胞）的流感病毒感染的全基因組CRISPR篩選，從中找到了20多個(gè)病毒復(fù)制所依賴的宿主因子（圖一）。與此同時(shí)，杜克-新加坡國(guó)立大學(xué)醫(yī)學(xué)院的王林發(fā)課題組用RNA干擾（RNAi）的方法進(jìn)行了蝙蝠細(xì)胞針對(duì)腮腺炎病毒感染的篩選，找到了數(shù)十個(gè)病毒依賴的宿主因子。通過對(duì)兩個(gè)課題組的篩選結(jié)果進(jìn)行比較，該研究發(fā)現(xiàn)其中都包括細(xì)胞內(nèi)吞作用和蛋白分泌通路的重要基因，這些跟人類細(xì)胞的病毒感染是類似的，說明蝙蝠細(xì)胞和人類細(xì)胞的病毒感染對(duì)這些通路的依賴是保守的。除此之外，兩組篩選都發(fā)現(xiàn)了一個(gè)共同的新的宿主基因MTHFD1。MTHFD1編碼亞甲基四氫葉酸脫氫酶，是DNA和RNA的組成成分嘌呤堿基從頭合成的重要代謝酶。非常有意思的是，以前的工作在人體細(xì)胞的全基因組篩選病毒宿主因子都沒有發(fā)現(xiàn)MTHFD1。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)蝙蝠細(xì)胞的MTHFD1表達(dá)水平比人類相應(yīng)組織的細(xì)胞要低很多，這可能和蝙蝠適應(yīng)飛行生活的生理變化有關(guān)。
???簡(jiǎn)而言之，譚旭課題組和合作者通過對(duì)蝙蝠細(xì)胞的兩萬多個(gè)基因進(jìn)行系統(tǒng)全面的篩查，確定了數(shù)十個(gè)病毒復(fù)制所依賴的關(guān)鍵蝙蝠基因。這些基因在蝙蝠和人類中功能是保守的，但是基因表達(dá)水平的物種差異可能決定了病毒感染的不同的病理結(jié)果。
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第二階段研究：抑制劑carolacton的發(fā)現(xiàn)
研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)RNA病毒包括腮腺炎病毒，馬六甲病毒，寨卡病毒等都對(duì)MTHFD1的缺失非常敏感，而MTHFD1的抑制劑carolacton對(duì)于上述病毒的復(fù)制有非常強(qiáng)的抑制作用。這個(gè)現(xiàn)象在蝙蝠和人類細(xì)胞都很顯著。Carolacton是一種天然產(chǎn)物，被作為抗生素候選分子用于抑制細(xì)菌的菌膜生成。令人欣喜的是，通過與中國(guó)疾控中心合作，課題組發(fā)現(xiàn)carolacton也能有效的抑制新冠病毒在人體細(xì)胞中的復(fù)制，而且抗病毒有效濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于細(xì)胞毒性濃度，展示出了良好的成藥性（圖一）。?
蝙蝠的基因篩查導(dǎo)致了MTHFD1這個(gè)全新的抗病毒藥物靶點(diǎn)及carolacton這個(gè)抗病毒小分子的發(fā)現(xiàn)。這個(gè)結(jié)果也提示我們可以從研究蝙蝠的病毒感染機(jī)制中學(xué)習(xí)到如何應(yīng)對(duì)病毒感染。
清華大學(xué)藥學(xué)院博士生崔進(jìn)，博士后葉倩，杜克-新加坡國(guó)立大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Danielle Anderson, 中國(guó)疾控中心的黃保英博士為論文的并列第一作者；清華大學(xué)藥學(xué)院譚旭研究員和杜克-新加坡國(guó)立大學(xué)醫(yī)學(xué)院王林發(fā)教授作為論文的共同通訊作者。該文章還得到了中國(guó)疾控中心譚文杰研究員，中科院動(dòng)物所周旭明研究員，美國(guó)Duke大學(xué)的So Young Kim教授的大力幫助。此外，譚旭實(shí)驗(yàn)室的這項(xiàng)工作由清華大學(xué)疫情防控科技攻關(guān)應(yīng)急專項(xiàng)課題，北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心，清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和國(guó)家自然基金委優(yōu)秀青年基金聯(lián)合資助。
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研究者后續(xù)將在動(dòng)物感染模型上進(jìn)一步對(duì)carolacton及其衍生物的抗病毒功能進(jìn)行臨床前測(cè)試，希望能將這些分子為一種廣譜抗病毒藥物早日推向臨床。MTHFD1相關(guān)的基因?qū)Σ《镜挠绊懠捌渌幬锇邢虻难芯恳灿型峁└嗟暮蜻x藥物分子。前期建立的全基因組篩選系統(tǒng)也將在針對(duì)蝙蝠的其它組織細(xì)胞，特別是免疫細(xì)胞的研究中發(fā)揮巨大作用，幫助研究者繼續(xù)探尋蝙蝠的更多的奧秘。
原文鏈接：https://biorxiv.org/cgi/content/short/2020.03.29.014209v1
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一、為什么要研究廣譜的抗病毒藥物？
從SARS、埃博拉到2019年的新冠肺炎(COVID-19)，病毒引起的傳染性疾病一直是嚴(yán)重危害全球健康的主要病種之一。這些疫情發(fā)展史更讓我們深刻體會(huì)到當(dāng)務(wù)之急是對(duì)于廣譜的抗病毒藥物的研發(fā)。廣譜抗病毒藥物對(duì)于新發(fā)突發(fā)病毒感染的應(yīng)急性治療可以救重癥病人于危難，對(duì)于降低死亡率和緩解疫情有不可估量的作用。傳統(tǒng)的抗病毒藥物以病毒蛋白作為靶點(diǎn)，因此很難針對(duì)多種不同類別的病毒發(fā)揮作用，而且病毒很容易通過突變自身基因產(chǎn)生耐藥性。由于多種病毒在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制需要很多共同的宿主蛋白才能完成復(fù)制周期，所以針對(duì)病毒復(fù)制依賴的宿主蛋白的新型抗病毒藥物可能具有廣譜性和不易產(chǎn)生耐藥性的優(yōu)點(diǎn)。蝙蝠被廣泛認(rèn)為是SARS，埃博拉病毒和新冠病毒的天然宿主。該研究從蝙蝠基因組分析入手，使用領(lǐng)先的功能基因組學(xué)方法，系統(tǒng)地尋找病毒生命周期依賴的宿主因子，通過理解病毒-宿主因子的相互作用的分子機(jī)制來尋找新的抗病毒藥物靶點(diǎn)，并進(jìn)而成功的發(fā)現(xiàn)抗新冠病毒潛在藥物分子 carolacton。
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二、堪稱“天然病毒庫”的蝙蝠為何“百毒不侵”？ ??
蝙蝠屬于哺乳動(dòng)物門翼手目，是唯一能真正飛行的哺乳動(dòng)物。近年來蝙蝠由于被相繼報(bào)導(dǎo)為一系列致病病毒的固有宿主而倍受關(guān)注。2003年的SARS，2014年的埃博拉以及2019年末開始暴發(fā)的的新冠肺炎均給世界各地帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和心理恐慌。諸多證據(jù)支持蝙蝠是這些致病病毒的共同的天然宿主，病毒從蝙蝠到某個(gè)中間宿主傳播最終導(dǎo)致了疫情的大規(guī)模暴發(fā)。令人不解的是，雖然蝙蝠可以攜帶多種致病病毒，但是這些病毒卻不會(huì)對(duì)蝙蝠造成明顯的癥狀。蝙蝠對(duì)病毒的高度耐受性可能也是其能攜帶并傳播多種病毒的重要原因。蝙蝠的生理學(xué)研究和基因組測(cè)序結(jié)果為解釋其耐受病毒的能力提供了多種解釋，而功能基因組學(xué)篩選可以幫助我們進(jìn)一步理解病毒感染蝙蝠細(xì)胞所需要的宿主因子。
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三、蝙蝠與人類的病毒感染機(jī)制有何不同？
第一階段研究：功能基因組學(xué)篩選
基于以上背景，課題組建立了第一個(gè)蝙蝠（黑妖狐蝠,Pteropus alecto）的全基因組CRISPR敲除文庫并完成了黑妖狐蝠腎上皮細(xì)胞（PaKi細(xì)胞）的流感病毒感染的全基因組CRISPR篩選，從中找到了20多個(gè)病毒復(fù)制所依賴的宿主因子（圖一）。與此同時(shí)，杜克-新加坡國(guó)立大學(xué)醫(yī)學(xué)院的王林發(fā)課題組用RNA干擾（RNAi）的方法進(jìn)行了蝙蝠細(xì)胞針對(duì)腮腺炎病毒感染的篩選，找到了數(shù)十個(gè)病毒依賴的宿主因子。通過對(duì)兩個(gè)課題組的篩選結(jié)果進(jìn)行比較，該研究發(fā)現(xiàn)其中都包括細(xì)胞內(nèi)吞作用和蛋白分泌通路的重要基因，這些跟人類細(xì)胞的病毒感染是類似的，說明蝙蝠細(xì)胞和人類細(xì)胞的病毒感染對(duì)這些通路的依賴是保守的。除此之外，兩組篩選都發(fā)現(xiàn)了一個(gè)共同的新的宿主基因MTHFD1。MTHFD1編碼亞甲基四氫葉酸脫氫酶，是DNA和RNA的組成成分嘌呤堿基從頭合成的重要代謝酶。非常有意思的是，以前的工作在人體細(xì)胞的全基因組篩選病毒宿主因子都沒有發(fā)現(xiàn)MTHFD1。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)蝙蝠細(xì)胞的MTHFD1表達(dá)水平比人類相應(yīng)組織的細(xì)胞要低很多，這可能和蝙蝠適應(yīng)飛行生活的生理變化有關(guān)。
???簡(jiǎn)而言之，譚旭課題組和合作者通過對(duì)蝙蝠細(xì)胞的兩萬多個(gè)基因進(jìn)行系統(tǒng)全面的篩查，確定了數(shù)十個(gè)病毒復(fù)制所依賴的關(guān)鍵蝙蝠基因。這些基因在蝙蝠和人類中功能是保守的，但是基因表達(dá)水平的物種差異可能決定了病毒感染的不同的病理結(jié)果。
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第二階段研究：抑制劑carolacton的發(fā)現(xiàn)
研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)RNA病毒包括腮腺炎病毒，馬六甲病毒，寨卡病毒等都對(duì)MTHFD1的缺失非常敏感，而MTHFD1的抑制劑carolacton對(duì)于上述病毒的復(fù)制有非常強(qiáng)的抑制作用。這個(gè)現(xiàn)象在蝙蝠和人類細(xì)胞都很顯著。Carolacton是一種天然產(chǎn)物，被作為抗生素候選分子用于抑制細(xì)菌的菌膜生成。令人欣喜的是，通過與中國(guó)疾控中心合作，課題組發(fā)現(xiàn)carolacton也能有效的抑制新冠病毒在人體細(xì)胞中的復(fù)制，而且抗病毒有效濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于細(xì)胞毒性濃度，展示出了良好的成藥性（圖一）。?
蝙蝠的基因篩查導(dǎo)致了MTHFD1這個(gè)全新的抗病毒藥物靶點(diǎn)及carolacton這個(gè)抗病毒小分子的發(fā)現(xiàn)。這個(gè)結(jié)果也提示我們可以從研究蝙蝠的病毒感染機(jī)制中學(xué)習(xí)到如何應(yīng)對(duì)病毒感染。
圖一.蝙蝠細(xì)胞的全基因組CRISPR篩選找到一個(gè)RNA病毒復(fù)制的關(guān)鍵宿主因子MTHFD1，其抑制劑carolacton能有效抑制新冠病毒在靈長(zhǎng)類動(dòng)物細(xì)胞系中的復(fù)制
?清華大學(xué)藥學(xué)院博士生崔進(jìn)，博士后葉倩，杜克-新加坡國(guó)立大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Danielle Anderson, 中國(guó)疾控中心的黃保英博士為論文的并列第一作者；清華大學(xué)藥學(xué)院譚旭研究員和杜克-新加坡國(guó)立大學(xué)醫(yī)學(xué)院王林發(fā)教授作為論文的共同通訊作者。該文章還得到了中國(guó)疾控中心譚文杰研究員，中科院動(dòng)物所周旭明研究員，美國(guó)Duke大學(xué)的So Young Kim教授的大力幫助。此外，譚旭實(shí)驗(yàn)室的這項(xiàng)工作由清華大學(xué)疫情防控科技攻關(guān)應(yīng)急專項(xiàng)課題，北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心，清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和國(guó)家自然基金委優(yōu)秀青年基金聯(lián)合資助。
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研究者后續(xù)將在動(dòng)物感染模型上進(jìn)一步對(duì)carolacton及其衍生物的抗病毒功能進(jìn)行臨床前測(cè)試，希望能將這些分子為一種廣譜抗病毒藥物早日推向臨床。MTHFD1相關(guān)的基因?qū)Σ《镜挠绊懠捌渌幬锇邢虻难芯恳灿型峁└嗟暮蜻x藥物分子。前期建立的全基因組篩選系統(tǒng)也將在針對(duì)蝙蝠的其它組織細(xì)胞，特別是免疫細(xì)胞的研究中發(fā)揮巨大作用，幫助研究者繼續(xù)探尋蝙蝠的更多的奧秘。
原文鏈接：https://biorxiv.org/cgi/content/short/2020.03.29.014209v1
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