2021年9月21日，PNAS雜志在線刊登了題為《蝙蝠細胞全基因組篩選發(fā)現(xiàn)一種廣譜抗病毒藥物靶點-MTHFD1》（Orthogonal genome-wide screens in bat cells identify MTHFD1 as a target of broad antiviral therapy）的最新成果。該研究由清華大學結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心譚旭課題組與杜克-新加坡國立大學醫(yī)學院的王林發(fā)課題組合作完成，通過對蝙蝠基因組進行功能篩選發(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。

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到當務之急是對于廣譜的抗病毒藥物的研發(fā)。廣譜抗病毒藥物對于新發(fā)突發(fā)病毒感染的應急性治療可以救重癥病人于危難，對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，因此很難針對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。由于多種病毒在細胞內(nèi)復制需要很多共同的宿主蛋白才能完成復制周期，所以針對病毒復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。蝙蝠被廣泛認為是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制來尋找新的抗病毒藥物靶點，并進而成功的發(fā)現(xiàn)抗新冠病毒潛在藥物分子 carolacton。

二、堪稱“天然病毒庫”的蝙蝠為何“百毒不侵”？

蝙蝠屬于哺乳動物門翼手目，是唯一能真正飛行的哺乳動物。近年來蝙蝠由于被相繼報導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，病毒從蝙蝠到某個中間宿主傳播最終導致了疫情的大規(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對蝙蝠造成明顯的癥狀。蝙蝠對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。蝙蝠的生理學研究和基因組測序結(jié)果為解釋其耐受病毒的能力提供了多種解釋，而功能基因組學篩選可以幫助我們進一步理解病毒感染蝙蝠細胞所需要的宿主因子。

三、蝙蝠與人類的病毒感染機制有何不同？

第一階段研究：功能基因組學篩選

基于以上背景，課題組建立了第一個蝙蝠（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胞（PaKi細胞）的流感病毒感染的全基因組CRISPR篩選，從中找到了20多個病毒復制所依賴的宿主因子（圖一）。與此同時，杜克-新加坡國立大學醫(yī)學院的王林發(fā)課題組用RNA干擾（RNAi）的方法進行了蝙蝠細胞針對腮腺炎病毒感染的篩選，找到了數(shù)十個病毒依賴的宿主因子。通過對兩個課題組的篩選結(jié)果進行比較，該研究發(fā)現(xiàn)其中都包括細胞內(nèi)吞作用和蛋白分泌通路的重要基因，這些跟人類細胞的病毒感染是類似的，說明蝙蝠細胞和人類細胞的病毒感染對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胞的全基因組篩選病毒宿主因子都沒有發(fā)現(xiàn)MTHFD1。進一步的研究發(fā)現(xiàn)蝙蝠細胞的MTHFD1表達水平比人類相應組織的細胞要低很多，這可能和蝙蝠適應飛行生活的生理變化有關(guān)。

簡而言之，譚旭課題組和合作者通過對蝙蝠細胞的兩萬多個基因進行系統(tǒng)全面的篩查，確定了數(shù)十個病毒復制所依賴的關(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。

第二階段研究：抑制劑carolacton的發(fā)現(xiàn)

研究進一步發(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MTHFD1的缺失非常敏感，而MTHFD1的抑制劑carolacton對于上述病毒的復制有非常強的抑制作用。這個現(xiàn)象在蝙蝠和人類細胞都很顯著。Carolacton是一種天然產(chǎn)物，被作為抗生素候選分子用于抑制細菌的菌膜生成。令人欣喜的是，通過與中國疾控中心合作，課題組發(fā)現(xiàn)carolacton也能有效的抑制新冠病毒在人體細胞中的復制，而且抗病毒有效濃度遠遠低于細胞毒性濃度，展示出了良好的成藥性（圖一）。

蝙蝠的基因篩查導致了MTHFD1這個全新的抗病毒藥物靶點及carolacton這個抗病毒小分子的發(fā)現(xiàn)。這個結(jié)果也提示我們可以從研究蝙蝠的病毒感染機制中學習到如何應對病毒感染。

科研成果 | 譚旭/王林發(fā)從蝙蝠基因組學研究發(fā)現(xiàn)廣譜抗病毒藥物靶點和抗新冠病毒潛在藥物分子-肽度TIMEDOO
圖一.蝙蝠細胞的全基因組CRISPR篩選找到一個RNA病毒復制的關(guān)鍵宿主因子MTHFD1，其抑制劑carolacton能有效抑制新冠病毒在人肺癌細胞系中的復制
杜克-新加坡國立大學醫(yī)學院的Danielle Anderson，清華大學藥學院博士生崔進，博士后葉倩，中國疾控中心的黃保英博士為論文的并列第一作者；清華大學結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心譚旭研究員和杜克-新加坡國立大學醫(yī)學院王林發(fā)教授作為論文的共同通訊作者。該文章還得到了中國疾控中心譚文杰研究員，中科院動物所周旭明研究員，深圳大學王宇教授，清華大學唐葉峰教授和美國Duke大學的So Young Kim教授的大力幫助。此外，譚旭實驗室的這項工作由北京市結(jié)構(gòu)生物學高精尖中心、生命科學聯(lián)合中心，國家自然基金委優(yōu)秀青年基金和清華大學春風基金的聯(lián)合資助。

研究者后續(xù)將在動物感染模型上進一步對carolacton及其衍生物的抗病毒功能進行臨床前測試，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)也將在針對蝙蝠的其它組織細胞，特別是免疫細胞的研究中發(fā)揮巨大作用，幫助研究者繼續(xù)探尋蝙蝠的更多的奧秘。

來源：結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心