晝夜節(jié)律在病毒感染中的作用

白冰珂，侯 俊

晝夜節(jié)律調(diào)控著機體的體溫、進(jìn)食、睡眠和激素等變化，這些生理變化遵循一個約24 h的內(nèi)在周期[1-2]。晝夜節(jié)律的紊亂會導(dǎo)致失眠、抑郁、冠心病、代謝綜合征、神經(jīng)退行性疾病和腫瘤的發(fā)生[3]。目前發(fā)現(xiàn)的節(jié)律基因有CRY1、CRY2、PER1、PER2、PER3、CLOCK、BMAL1、NPAS2、CKIε、NR1D1、NR1D2、RORα、RORβ及RORγ等。這些基因存在于下丘腦的視交叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN）中，在外周組織中也有表達(dá)[4]，組成了轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)路[5]。BMAL1和CLOCK基因編碼的Bmal1和Clock蛋白是最重要的核心時鐘蛋白，能通過形成異二聚體復(fù)合物激活Per和Cry基因的轉(zhuǎn)錄，Per和Cry蛋白又通過反向抑制降低Bmall和Clock蛋白的表達(dá)，從而以大約24 h 為一個周期的表達(dá)形式控制著生物節(jié)律[6-7]。

一項關(guān)于靈長類動物的最新研究發(fā)現(xiàn)，機體組織中80%以上的蛋白質(zhì)編碼基因均表現(xiàn)出日常節(jié)律性表達(dá)[8]。鑒于病毒生命周期的幾乎每個步驟都依賴于宿主機制，因此宿主的節(jié)律振蕩可以對病毒復(fù)制產(chǎn)生直接或間接影響。細(xì)胞內(nèi)運輸、生物合成過程、蛋白質(zhì)合成和染色質(zhì)組裝均有助于宿主細(xì)胞通過晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)病毒感染。且病毒的早期基因似乎與24 h節(jié)律同步，大型DNA病毒在持續(xù)性病毒復(fù)制和潛伏期重新激活方面可能表現(xiàn)出晝夜節(jié)律性[9-10]。當(dāng)通過破壞關(guān)鍵節(jié)律基因轉(zhuǎn)錄因子Bmal1消除宿主晝夜節(jié)律時，皰疹病毒和甲型流感病毒（influenza A virus, IAV）感染會增強[11]。隨著研究的深入，病毒感染與生物節(jié)律之間的相互作用也越來越引起人們的關(guān)注。本文對晝夜節(jié)律在病毒感染中的作用進(jìn)行綜述，以供參考。

1 節(jié)律基因影響病毒感染與復(fù)制

節(jié)律基因在調(diào)節(jié)病毒復(fù)制中有重要的作用。有研究對OR6細(xì)胞（一種穩(wěn)定表達(dá)全長HCV 1b基因組的細(xì)胞系）進(jìn)行血清休克后的不同時間點檢測節(jié)律基因表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與野生型細(xì)胞相比，OR6細(xì)胞中PER和CRY表達(dá)降低，而PER的過表達(dá)會抑制HCV復(fù)制，這與干擾素刺激基因的表達(dá)增加有關(guān)[12]。HCV細(xì)胞表面受體的兩個主要分子，即CD81和緊密連接蛋白claudin-1，在同步化的Huh-7細(xì)胞中顯示出了晝夜節(jié)律表達(dá)，其表達(dá)峰與細(xì)胞的BMAL1表達(dá)峰相互重合，利用CRISPR沉默BMAL1的表達(dá)后可以顯著降低兩種受體分子的表達(dá)水平，且很大程度上抑制了HCV入侵細(xì)胞[13]。BMAL1的下調(diào)表達(dá)又會抑制脂質(zhì)合成、糖異生、蛋白質(zhì)合成和膽汁酸合成，與慢性丙型肝炎患者血清丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶水平升高和肝纖維化進(jìn)展有關(guān)[14]。

研究發(fā)現(xiàn)，BMAL1缺陷細(xì)胞更容易被副粘病毒科的兩種主要呼吸道病毒呼吸道合胞病毒（respiratory syncytial virus, RSV）和副流感3型病毒感染，而且來自Bmal1-/-小鼠的胚胎成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的子代病毒比野生型對照多近10倍，表明Bmal1-/-小鼠更容易被RSV感染從而引發(fā)更為嚴(yán)重的肺部疾病[15]。BMAL1的表達(dá)存在季節(jié)性變化，在冬季達(dá)到最低值，似乎是季節(jié)性呼吸道病毒病高發(fā)的原因，因為BMAL1表達(dá)降低會增加病毒性疾病的發(fā)病幾率[16-17]。在肺氣腫小鼠模型研究中還發(fā)現(xiàn)，IAV感染使肺部節(jié)律基因表達(dá)重新起作用，并降低了小鼠運動活動節(jié)律的幅度。在長期暴露于香煙煙霧的C57BL/6J小鼠中，這種作用更為明顯，并伴有體質(zhì)量減輕和死亡率增加。此外，研究發(fā)現(xiàn)感染IAV的Bmal1-/-小鼠表現(xiàn)出增強的肺炎性反應(yīng)和纖維化反應(yīng)[18]。

HIV Tat蛋白會直接影響哺乳動物下丘腦上SCN的起搏器，是慢病毒晝夜節(jié)律功能障礙的基礎(chǔ)[19]。成年AIDS患者和感染了相關(guān)慢病毒的哺乳動物在與節(jié)律有關(guān)的生理功能方面均存在異常，例如運動能力、免疫細(xì)胞水平和體溫[20-24]。HIV Tat蛋白通過干擾AIDS患者的晝夜節(jié)律系統(tǒng)進(jìn)一步增加褪黑激素的排泄值，從而影響其睡眠質(zhì)量[25]。此外，核心時鐘基因PER1被認(rèn)為是HIV-1轉(zhuǎn)錄的負(fù)調(diào)節(jié)劑，其表達(dá)與病毒載量呈負(fù)相關(guān)，可能與靜止CD4+T細(xì)胞中病毒的不同潛伏期有關(guān)[26]。

一天中病毒感染的時間不同會嚴(yán)重影響病毒的復(fù)制。當(dāng)宿主過渡到日常周期的靜止階段時，免疫應(yīng)答會進(jìn)行再生和修復(fù)，但在活動階段開始時會引發(fā)病原體攻擊。改變感染宿主的時間會顯著影響病毒在體內(nèi)的感染和傳播程度。在接受肝移植的HCV感染者隊列研究中發(fā)現(xiàn)，早晨移植的受試者在術(shù)后第1周內(nèi)病毒RNA水平反彈，而在下午移植的7例受試者中未觀察到病毒反彈[27]。另有研究發(fā)現(xiàn)，感染鼠皰疹病毒的Bmal1-/-小鼠，病毒復(fù)制比野生型小鼠高出3倍多，且野生型小鼠活動期感染鼠皰疹病毒比靜息期病毒復(fù)制高10倍，敲除Bmal1基因后則沒有這種依賴于時間的感染增強效應(yīng)，表明與晝夜節(jié)律周期有關(guān)的感染時機對皰疹病毒的發(fā)病機制有重要影響[11]。Sengupta等[28]研究也發(fā)現(xiàn)，不同感染時間對小鼠的晚期病毒清除率和IAV存活率有極大影響，而這種影響在Bmal1-/-小鼠中被消除。該節(jié)律性波動是由肺中的炎癥變化所驅(qū)動，有利于病毒更好地生存。若在肺氣道上皮細(xì)胞中敲除Bmal1基因則可以導(dǎo)致嗜中性粒細(xì)胞浸潤和對肺部IAV感染的反應(yīng)發(fā)生變化，此外24 h RNA測序的分析表明，晝夜節(jié)律富集途徑中的大量轉(zhuǎn)錄組變化與脂質(zhì)代謝、異物解毒、細(xì)胞外基質(zhì)和趨化因子信號有關(guān)[29]。

宿主、非人類病毒庫和媒介的節(jié)律性都會影響急性和慢性疾病的結(jié)局。許多病毒是通過昆蟲載體傳播的，這些昆蟲載體具有自己的晝夜節(jié)律，在一天的不同時間活躍度不同，直接影響病毒在活動階段還是靜止階段感染宿主[30]。登革熱病毒通過白天和黃昏/黎明活躍的埃及伊蚊傳播給人類，病毒感染會增強蚊子的活性[31]。寨卡病毒的傳播取決于季節(jié)性氣候變化，隨著可獲得的寨卡病毒病發(fā)病率數(shù)據(jù)的增加，通過明確高低風(fēng)險傳播季節(jié)調(diào)整懷孕計劃，確保敏感的妊娠期與寨卡病毒傳播季節(jié)不匹配來限制病毒的垂直傳播尤為重要[32-33]。

2 病毒感染改變節(jié)律基因表達(dá)

在進(jìn)化過程中，病毒可以利用宿主的晝夜節(jié)律并改變晝夜節(jié)律基因的表達(dá)。猴免疫缺陷病毒感染后可導(dǎo)致宿主體溫的振幅、數(shù)值以及運動活動的晝夜節(jié)律發(fā)生變化，這些變化與病毒接種引發(fā)的急性發(fā)熱反應(yīng)無關(guān)[34]。HIV被證明可以改變小鼠和人類的晝夜節(jié)律系統(tǒng)，其主要的作用機理為HIV編碼的轉(zhuǎn)錄反式激活蛋白（HIV Tat）通過影響光的夾帶途徑重置了鼠的生物鐘[19]；HIV Tat蛋白的長期過表達(dá)降低了小鼠晝夜運轉(zhuǎn)的節(jié)奏幅度和運動能力[20]。

此外，在穩(wěn)定轉(zhuǎn)染了HBV X蛋白的細(xì)胞系（Bel-7404-HBx）中進(jìn)行的體外實驗顯示，幾個核心時鐘基因的mRNA表達(dá)水平發(fā)生了變化，包括CLOCK、PER1和PER2的表達(dá)上調(diào)以及BMAL1、PER3、CRY1、CRY2和CKIε的表達(dá)下調(diào)[35]。HCV感染會降低PER2和CRY2的表達(dá)[12]。IAV感染改變了受感染小鼠肺中Bmal1、Clock和Rev-erbβ峰值表達(dá)的時間，并降低了肺組織外植體中Per2表達(dá)的幅度，導(dǎo)致宿主肺部炎癥，從而增加了IAV的載量[18]。

值得注意的是，PER2會影響針對病毒感染的先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)劑γ干擾素的信號傳導(dǎo)[36-37]。Clock基因可以起到類似組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的作用，單純皰疹病毒（herpes simplex virus,HSV）感染后可利用Clock表達(dá)促進(jìn)病毒基因的轉(zhuǎn)錄，沉默Clock基因后會降低病毒蛋白的表達(dá)[38-39]。HSV-2受體Nectin-1的表達(dá)與病毒滴度增加相關(guān)且表達(dá)水平隨時間波動，研究證明Nectin-1的表達(dá)受Clock基因的直接調(diào)控，與控制在靜止期獲得的感染所需的較低藥物劑量相比，治療在活躍期感染的HSV-2需要更大劑量的阿昔洛韋[39]。

3 晝夜節(jié)律與機體免疫系統(tǒng)相互調(diào)節(jié)

晝夜節(jié)律系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)宿主對微生物病原體的先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)，從而節(jié)省能量利用[40-43]。晝夜節(jié)律可以直接與關(guān)鍵炎癥途徑的成分發(fā)生相互作用，反之炎癥也可導(dǎo)致晝夜節(jié)律紊亂，其可進(jìn)一步放大炎癥反應(yīng)并加重組織損傷。當(dāng)生物鐘由于失眠、時差、加班等原因被打亂時，一些重要的免疫細(xì)胞可能會受到影響，從而導(dǎo)致免疫力下降，并使個體容易被感染[44-45]。先天免疫系統(tǒng)的某些功能取決于晝夜節(jié)律[46]，比如BMAL1調(diào)節(jié)炎性單核細(xì)胞（Ly6Chi單核細(xì)胞）的晝夜振蕩[47]。為了預(yù)測環(huán)境變化并使感染風(fēng)險最小化，許多免疫參數(shù)會全天振蕩[43，48]。Sengupta等[28]研究顯示了自然殺傷性T細(xì)胞、自然殺傷性細(xì)胞和Ly6Chi單核細(xì)胞在一天中依賴IAV感染的時間的重要性。淋巴細(xì)胞的數(shù)量在一天中振蕩，而糖皮質(zhì)激素會誘導(dǎo)T細(xì)胞在淋巴器官中蓄積[49]。淋巴細(xì)胞晝夜節(jié)律的喪失消除了在抗IAV中重要的節(jié)律性適應(yīng)性免疫反應(yīng)[42]。BMAL1與線粒體功能和代謝途徑相關(guān)，這會影響免疫細(xì)胞的表型和活性。

研究發(fā)現(xiàn)促炎細(xì)胞因子會破壞晝夜節(jié)律，尤其是IL-1[50]。在體外用脂多糖刺激腹膜巨噬細(xì)胞后，晝夜節(jié)律時鐘基因Clock、Bmal1、Per1和Cry1的mRNA水平在2 h內(nèi)顯著下降[51]。NF-κB激活受損可造成TNF-α誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，缺乏CRY蛋白可以增加細(xì)胞對TNF-α誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的敏感性，上述研究表明晝夜節(jié)律和NF-κB 信號通路之間存在一定的聯(lián)系[52]。缺乏CRY蛋白可激活促炎性細(xì)胞因子的表達(dá)，導(dǎo)致先天免疫系統(tǒng)變得高度敏感[53]。PER蛋白可通過調(diào)節(jié)BMAL1表達(dá)來發(fā)揮促炎或抗炎作用，而CRY和RORα蛋白通常具有抗炎作用[54-55]。

4 晝夜節(jié)律在新型冠狀病毒肺炎臨床治療中的潛在作用

嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒-2（severe acute respiratory syndrome coronavirus-2, SARSCoV-2）感染后的宿主反應(yīng)，特別是導(dǎo)致多器官衰竭的侵襲性炎癥反應(yīng)是影響新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease, COVID-19）嚴(yán)重程度的重要因素。先天性和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的幾乎所有成分的表達(dá)和/或活性，以及炎癥免疫反應(yīng)，都遵循嚴(yán)格的晝夜節(jié)律。因此，研究 SARS-CoV-2 病理生理學(xué)的晝夜節(jié)律和宿主對該病原體的反應(yīng)將非常有意義。

COVID-19管理的另一個關(guān)鍵是了解在體外抑制SARS-CoV-2或在感染者中引起任何臨床改善的藥物的給藥時間依賴性。包括瑞德西韋在內(nèi)的許多潛在抗病毒藥物的血漿穩(wěn)定性差和半衰期短，導(dǎo)致對病毒快速和持續(xù)擴張的有效性不足[56]。在宿主與病原體之間動態(tài)相互作用的情況下，評估最有效的給藥時間可以顯著提高藥物和疫苗的療效。 因此，在設(shè)計針對SARS-CoV-2的候選藥物和疫苗時，應(yīng)考慮晝夜節(jié)律，以獲得可能的最佳臨床效果。

SARS-CoV-2感染會導(dǎo)致宿主體內(nèi)幾種重要的生理過程失調(diào)，包括多種代謝途徑、蛋白質(zhì)合成、巨噬細(xì)胞功能、細(xì)胞凋亡等[57-58]。此外，SARS-CoV-2感染會激活炎癥反應(yīng)、IL信號傳導(dǎo)和補體級聯(lián)反應(yīng)[57]。幾乎所有這些生理過程都由生物鐘機制嚴(yán)格控制。最近發(fā)表的一項研究使用親和純化質(zhì)譜法鑒定了332種與SARS-CoV-2相互作用的人類蛋白，有30%的表達(dá)顯示了晝夜節(jié)律振蕩[59]。對晝夜節(jié)律、宿主免疫力和宿主-病毒相互作用之間的復(fù)雜關(guān)系進(jìn)行深入研究，有助于揭示SARSCoV-2感染的復(fù)雜發(fā)病機制，并可能有助于改善針對這種新型病原體的治療方法，并為公共衛(wèi)生政策制定提供依據(jù)。

5 小 結(jié)

當(dāng)今世界新突發(fā)傳染病層出不窮，給國家的經(jīng)濟發(fā)展、和諧生活乃至人類的生存帶來極大的威脅。被病毒感染的細(xì)胞會改變其生物學(xué)復(fù)制過程，以促進(jìn)自身的復(fù)制和傳播，SARS、流感、COVID-19等許多傳染病的病毒病原體及大量變異株的存在，削弱了已開發(fā)疫苗和靶向抗病毒藥物的功效，而晝夜節(jié)律、免疫系統(tǒng)和病毒感染之間的相互作用又會影響疾病的預(yù)后[60]。如何創(chuàng)新開發(fā)和利用能更廣泛有效地限制病毒作用的物質(zhì)是科學(xué)家們一直在探索的工作。了解病毒如何與宿主晝夜節(jié)律的相互作用，能促進(jìn)病毒感染的臨床治療和致病機制研究，有助于為研發(fā)廣譜抗病毒藥物及病毒的防治提供新思路。

另外，在以晝夜節(jié)律治療或預(yù)防病毒感染方面，可能涉及藥物治療和時間療法。因此，有可能通過改變藥物施用時間來改善當(dāng)前抗病毒療法的功效。優(yōu)化一天中的用藥時間是個性化治療的一個方面；對晝夜節(jié)律系統(tǒng)更好地理解可能會改變抗病毒應(yīng)用藥物的時間和數(shù)量。給藥時間取決于藥物半衰期，因此半衰期短（6 h或更短）的藥物可能對一天中的給藥時間更為敏感[56]。

此外，疫苗接種時間也是需要考慮的一個重要因素。CD8+T細(xì)胞的晝夜節(jié)律會調(diào)節(jié)其對疫苗接種的反應(yīng)，與夜晚相比，白天接種樹突狀細(xì)胞疫苗會導(dǎo)致小鼠更高的T細(xì)胞活化[61]。與下午（下午3點—5點）相比，早晨（上午9點—11點）接種人流感疫苗更為有效，機體針對多種流感病毒株的抗體反應(yīng)更高[43]。在具有季節(jié)性依賴環(huán)境的國家中，疫苗接種月份也可能影響抗體反應(yīng)和對多種病毒的防護(hù)效果。與岡比亞相比，巴基斯坦的疫苗接種月份與狂犬病疫苗的抗體反應(yīng)之間存在顯著關(guān)聯(lián)[62]。B細(xì)胞成熟因子（BCMA或TNFRSF17）的表達(dá)也表現(xiàn)出季節(jié)性變化[17]，其表達(dá)水平與對三價流感疫苗的良好反應(yīng)相關(guān)[63]。由此可見，依據(jù)晝夜節(jié)律通過簡單的定時給藥或定時接種疫苗的措施可以提高藥物效率并減少不良反應(yīng)，將為臨床疾病的治療提供新的思路和方法。