清华等团队从蝙蝠的“无病毒入侵”中找到答案:发现新的皇冠病毒抑制剂

蝙蝠是天然的病毒库，对各种病毒都有免疫力。为什么它们携带大量的病毒，但却不受它们的侵害？人类能从这里找到对付多种病毒的通用方法吗？

北京时间3月31日，清华大学结构生物学高级创新中心、杜克-新加坡国立大学医学院、中国疾病预防控制中心、中国科学院动物研究所和美国杜克大学的研究团队联合发布了一份关于BioRxiv Online的新研究，BioRXiv Online是一个预印的论文网站。在蝙蝠细胞中进行的正交全基因组筛选将甲状旁腺素D1确定为广泛抗病毒治疗的目标。这项研究尚未经过同行评审。

通过对蝙蝠细胞中20，000多个基因进行系统和全面的筛选，研究小组已经确定了病毒复制所依赖的几十个关键蝙蝠基因，并发现了一个共同的新宿主基因MTHFD1。

进一步研究发现，蝙蝠细胞中MTHFD1的表达水平远低于相应人类组织的细胞，这可能与蝙蝠适应飞行生活的生理变化有关。

研究小组最终发现carolacton，一种宿主蛋白MTHFD1的抑制剂，能有效抑制新冠状病毒的复制。

他们认为，这一研究成果不仅有助于新型冠状病毒药物的研发，有效抗击疫情，而且为人类今后抗击突发病毒疫情奠定了基础。

清华大学结构生物学高级创新中心的谭旭研究员和新加坡国立大学医学院的王林发教授是本文的合著者。叶谦清华大学药学院崔晋博士、新加坡杜克大学医学院丹尼尔·安德森和中国疾病预防控制中心黄宝英博士是论文的共同主要作者。中国疾病预防控制中心研究员谭，中国科学院动物研究所研究员，美国杜克大学教授苏也参与了这项研究。

此外，谭旭实验室的工作还得到了清华大学传染病防治重大科技攻关专项、北京结构生物学高级创新中心、清华-北京大学生命科学联合中心和中国杰出青年基金国家自然科学基金的共同资助。

人类需要广谱抗病毒药物

从非典和埃博拉到2019年的新冠状肺炎(COVID-19)，由病毒引起的传染病已成为严重危害全球健康的主要疾病之一。这些流行病的发展历史使我们深刻认识到，当务之急是开发广谱抗病毒药物。

用于紧急治疗新爆发的病毒感染的广谱抗病毒药物可以拯救处于困境中的危重患者，并对降低死亡率和缓解疫情具有不可估量的作用。

然而，传统的抗病毒药物以病毒蛋白为靶点，难以在应对不断出现的各种病毒中发挥作用，而且病毒也容易通过自身基因突变产生耐药性。

相比之下，细胞中多种病毒的复制需要许多常见的宿主蛋白来完成复制周期，因此针对依赖病毒复制的宿主蛋白的新型抗病毒药物可能具有广谱性和耐药性的优点。

文章中提到蝙蝠是埃博拉病毒、非典病毒、默斯病毒、黑尼巴病毒和新冠状病毒的天然宿主。该研究小组试图从蝙蝠基因组分析开始，使用领先的功能基因组学方法系统地寻找依赖于病毒生命周期的宿主因子，并通过了解病毒-宿主因子相互作用的分子机制来寻找新的抗病毒药物靶点。

为什么蝙蝠“抵抗所有的毒素”？

蝙蝠属于哺乳动物翼手目，是唯一能真正飞行的哺乳动物。近年来，许多大规模致命疾病的爆发都与蝙蝠密切相关，蝙蝠被认为是新出现的病毒最重要的天然“宿主”。

作者提到，2003年的非典、2014年的埃博拉以及2019年末开始爆发的新冠状肺炎都给世界各地带来了巨大的经济损失和心理恐慌。许多证据支持蝙蝠是这些致病病毒的常见自然宿主。病毒从蝙蝠传播到中间宿主，最终导致大规模疫情爆发。

然而，令人困惑的是，尽管蝙蝠可以携带许多致病病毒，但这些病毒并不会给蝙蝠带来明显的症状。蝙蝠对病毒的高度耐受性也可能是蝙蝠能够携带和传播各种病毒的一个重要原因。

中国科学院武汉病毒研究所研究员周鹏曾在接受澎湃新闻记者采访时说:“从免疫学的角度来看，蝙蝠的免疫系统仍然是独一无二的。它是唯一能连续飞行的哺乳动物。飞行这种能力导致它的许多基因不同于人类或其他哺乳动物的基因。许多这些不同的基因都与抗病毒和免疫系统有关。”

周鹏等人也证实了蝙蝠总是保持一定量的干扰素表达。干扰素是一种关键的抗病毒蛋白。如果它在体内总是保持在“低水平”，它就相当于动物本身有一个“全天候保护”的防御机制。

“我们现在的初步结论是，它的免疫途径将保持一定程度的防御，但不会过度免疫。感染了非典和其他病毒的人最终会死于过度的炎症反应，但蝙蝠的炎症反应和先天免疫不会受到过度刺激，因此不会受到损害。”

周鹏等人以前也提到过类似的想法。研究蝙蝠携带病毒而不生病的独特特性有望帮助人类学会如何对抗病毒。

作者认为，蝙蝠的生理研究和基因组测序结果为其耐受病毒的能力提供了多种解释，功能基因组学筛选可以帮助我们进一步了解病毒感染蝙蝠细胞所需的宿主因子。

超过20，000个基因的筛选:蝙蝠和人类在病毒感染机制上有什么不同？

基于上述背景，研究小组建立了第一只蝙蝠(翼手目)的全基因组CRISPR敲除文库，并完成了黑狐蝙蝠肾上皮细胞(PaKi细胞)流感病毒感染的全基因组CRISPR筛选，从中发现了20多种病毒复制所依赖的宿主因子(图1)。

与此同时，杜克-新加坡国立大学医学院的王林发研究小组利用核糖核酸干扰技术(RNAi)对蝙蝠细胞进行腮腺炎病毒感染筛查，并发现了几十种病毒依赖性宿主因子。

通过比较两个研究组的筛选结果，研究小组发现它们都包含了内吞和蛋白质分泌途径的重要基因，与人类细胞的病毒感染相似，表明蝙蝠细胞和人类细胞的病毒感染对这些途径的依赖性是保守的。

此外，在两组筛选中都发现了一个共同的新宿主基因MTHFD1。亚甲基四氢叶酸脱氢酶1编码亚甲基四氢叶酸脱氢酶，它是嘌呤碱基从头合成的一种重要代谢酶，是脱氧核糖核酸和核糖核酸的一种成分。

有趣的是，在人类细胞的病毒宿主因子的全基因组筛选中还没有发现甲状旁腺素D1。进一步研究发现，蝙蝠细胞中MTHFD1的表达水平远低于相应人类组织的细胞，这可能与蝙蝠适应飞行生活的生理变化有关。

总的来说，研究小组通过对蝙蝠细胞中20，000多个基因的系统和全面筛选，确定了病毒复制所依赖的几十个关键蝙蝠基因。这些基因在蝙蝠和人类中的功能是保守的，但是基因表达水平的物种差异可能决定了病毒感染的不同病理结果。

抑制剂卡乐内酯的发现

研究小组进一步发现，包括腮腺炎病毒、马六甲病毒和寨卡病毒在内的核糖核酸病毒对甲状旁腺病毒1型的缺失非常敏感，而甲状旁腺病毒1型的抑制剂卡洛拉通对上述病毒的复制有很强的抑制作用。这种现象在蝙蝠和人类细胞中都很明显。

卡乐内酯是一种天然产物，被用作抗生素的候选分子来抑制细菌生物膜的形成。

令人高兴的是，通过与中国疾病预防控制中心的合作，研究小组发现，卡乐可有效抑制新冠状病毒在人体细胞中的复制，其有效抗病毒浓度远低于细胞毒性浓度，显示出良好的药用性能。

蝙蝠的基因筛选导致了新的抗病毒药物靶点MTHFD1和小抗病毒分子carolacton的发现。这一结果也表明，我们可以通过研究蝙蝠的病毒感染机制来了解如何应对病毒感染。

蝙蝠细胞全基因组CRISPR筛选发现了一个关键的宿主因子MTHFD1进行核糖核酸病毒复制，其抑制剂carolacton能有效地抑制新冠状病毒在灵长类细胞系中的复制。

据报道，该研究小组将进一步对卡乐内酯及其衍生物在动物感染模型上的抗病毒作用进行临床前试验，希望尽快将其作为广谱抗病毒药物推广到临床使用。对MTHFD1相关基因对病毒和药物靶向作用的研究也有望提供更多的候选药物分子。

此外，研究小组早些时候建立的全基因组筛选系统也将在蝙蝠其他组织细胞，特别是免疫细胞的研究中发挥重要作用，帮助研究人员继续探索蝙蝠更多的奥秘。

责任编辑:张深