脂質(zhì)在人冠狀病毒感染中的作用

張慧杰，董海榮

（1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110；2.呼和浩特市第一醫(yī)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030）

目前，已發(fā)現(xiàn)有7種冠狀病毒可感染人類，包括人類冠狀病毒229E（human coronavirus 229E，hCoV-229E）、中東呼吸綜合征冠狀病毒（middle east respiratory syndrome-related coronavirus，MERSr-CoV）、嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒（severe acute respiratory syndromerelated coronavirus，SARSr-CoV）、人類冠狀病毒OC43、人類冠狀病毒HKU1、人類冠狀病毒NL63及嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARSCoV-2）[1]。有研究結(jié)果顯示，脂質(zhì)與病毒感染有關(guān)，尤其是甘油磷脂和膽固醇，在病毒感染中發(fā)揮重要作用[2-3]。脂質(zhì)及其調(diào)節(jié)酶通過介導(dǎo)病毒膜融合參與、調(diào)節(jié)及控制病毒感染。以脂質(zhì)為靶點(diǎn)阻斷病毒融合，抑制病毒侵入，是治療病毒感染的一個新策略。本文擬對脂質(zhì)在冠狀病毒感染中的作用作一綜述。

1 脂質(zhì)在冠狀病毒感染中的作用

病毒在與目標(biāo)宿主細(xì)胞的結(jié)合過程中，首先與細(xì)胞受體相互作用，在質(zhì)膜處以內(nèi)吞途徑將病毒包膜與細(xì)胞膜融合，隨后將其遺傳物質(zhì)傳遞到細(xì)胞內(nèi)。膜融合依賴于雙膜囊泡和其他膜結(jié)構(gòu)的參與，如細(xì)胞器膜。膜脂質(zhì)成分主要由甘油磷脂及膽固醇組成，如磷脂酰膽堿（phosphatidylcholine，PC）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）及磷脂酰肌醇等。不同的病毒需要特定的磷脂成分才能形成最適合其復(fù)制的細(xì)胞器，從而協(xié)助病毒感染細(xì)胞[2]。因此，脂質(zhì)是冠狀病毒感染過程中膜融合的關(guān)鍵因素。此外，脂質(zhì)可作為包膜病毒在細(xì)胞表面的直接受體，產(chǎn)生各個階段中病毒感染所需的能量等物質(zhì)[4]。脂質(zhì)還可圍繞在病毒最外側(cè)組成包膜，在病毒入侵宿主細(xì)胞的過程中保護(hù)病毒結(jié)構(gòu)的完整性。

2 冠狀病毒感染人體的過程中脂質(zhì)的變化

YAN等[5]發(fā)現(xiàn)，在hCoV-229E感染的細(xì)胞中鑒定出24種脂質(zhì)，主要為溶血磷脂和脂肪酸兩大類，其含量在被病毒感染的細(xì)胞中明顯上調(diào)，其中包括溶血磷脂酰膽堿（lysophosphatidylcholine，lysoPC）、溶血磷脂酰乙醇胺（lysophosphatidylethanolamine，lysoPE）、花生四烯酸（arachidonic acid，AA）、亞油酸（linoleic acid，LA）、C-16抗血小板激活因子及磷脂酸在內(nèi)的7種具有代表性的脂類已被確認(rèn)，見圖1。YAN等[5]還發(fā)現(xiàn)LA和AA在高致病性MERSr-CoV復(fù)制過程中的抑制作用被保留。然而，體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在被冠狀病毒感染的細(xì)胞中補(bǔ)充LA和AA可顯著抑制HCoV-229E和高致病性MERSr-CoV的復(fù)制[6]，這可能是因?yàn)橥庠囱a(bǔ)充的LA和AA可能會干擾宿主細(xì)胞LA-AA代謝軸而影響病毒復(fù)制。由此可見，病毒感染細(xì)胞時并不是隨機(jī)干擾細(xì)胞脂質(zhì)成分，而是會精確地調(diào)節(jié)和重排宿主細(xì)胞的脂質(zhì)分布，達(dá)到一種利于病毒侵入的平衡、穩(wěn)定的狀態(tài)。此時，任何破壞平衡的外源性操作都可能干擾病毒侵入。

圖1 病毒感染干擾LA-AA代謝軸的示意圖

2.1 磷脂

2.1.1 PC PC通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位酶催化途徑合成，該途徑是大多數(shù)哺乳動物細(xì)胞中PC生物合成的主要途徑。在酵母中，PC是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)質(zhì)膜上通過PE甲基化產(chǎn)生的[7]。在被hCoV-229E感染的細(xì)胞中，PC是所有已識別脂質(zhì)的主要類別，約占所有已識別脂質(zhì)的60%，且在受感染細(xì)胞中持續(xù)升高[5]。VANCE等[8]推測，多種包膜病毒可能通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-病毒復(fù)制室-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)質(zhì)膜處的反式PE甲基化來改變宿主脂質(zhì)代謝，無需將酶在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)重新定位，而是局部產(chǎn)生PC，這可能是PC在感染細(xì)胞中持續(xù)升高的原因。此外，PC也是一種有效的病毒抑制劑，可以抑制由多種病毒融合肽介導(dǎo)的合胞體的形成，進(jìn)而阻礙病毒融合肽與宿主細(xì)胞的膜融合作用[9]。

2.1.2 PE PE可誘導(dǎo)各種細(xì)胞反應(yīng)，但在人體內(nèi)含量很低。ALTAN-BONNET等[10]的研究結(jié)果表明，冠狀病毒的復(fù)制會影響PE的生物合成，可能是在病毒復(fù)制器處積聚PE，作為病毒復(fù)制器的擴(kuò)展底座，以利于這類病毒感染人類。

2.1.3 磷脂酰肌醇4-磷酸（phosphatidylinositol 4-phosphate，PI4P） PI4P是細(xì)胞內(nèi)含量豐富的磷脂酰肌醇之一。宿主細(xì)胞被包膜病毒感染后，PI4P水平會明顯升高。PI4P脂類作為氧化甾醇結(jié)合蛋白的錨定物，驅(qū)動氧化甾醇結(jié)合蛋白介導(dǎo)的病毒復(fù)制器中的膽固醇積聚，增加病毒的肽結(jié)合力[11]。此外，PI4P結(jié)構(gòu)域和磷脂酰肌醇4，5-二磷酸結(jié)構(gòu)域?qū)?xì)胞正常的內(nèi)吞轉(zhuǎn)運(yùn)很重要，通過對二者的雙標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，這2種結(jié)構(gòu)域分別定位于晚內(nèi)切體和早內(nèi)切體，且與冠狀病毒感染相關(guān)[12]。

2.2 脂肪酸

LA和AA均屬于多不飽和脂肪酸，可以被代謝成二十烷酸及其代謝物，在宿主免疫應(yīng)答和冠狀病毒感染的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮多重作用[13]。LA和AA均是細(xì)胞膜的關(guān)鍵成分，可通過調(diào)節(jié)酶、離子通道、受體以及炎癥反應(yīng)，在許多組織中發(fā)揮基本的生物學(xué)功能[2]。有研究結(jié)果顯示，AA在被hCoV-229E感染的細(xì)胞中和所有已鑒定的脂類中的變化最大，其最大變化倍數(shù)為7.1倍[5]。LA-AA代謝軸是冠狀病毒感染中最易受干擾的代謝途徑，調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞中脂質(zhì)代謝、脂質(zhì)重排或其他過程，見圖1。

2.3 膽固醇

宿主細(xì)胞膜的脂質(zhì)組成決定了冠狀病毒感染過程中膜融合的效率。膽固醇廣泛存在于宿主真核細(xì)胞膜上，是病毒膜融合過程中的靶點(diǎn)之一。細(xì)胞膜中的膽固醇可改變膜結(jié)合肽的寡聚狀態(tài)，改變病毒融合肽與宿主膜組織的結(jié)合力[14]。此外，鞘脂的不飽和碳鏈降低了范德華力與細(xì)胞膜中磷脂的不飽和?；湹南嗷プ饔?，膽固醇可以填補(bǔ)鞘脂的結(jié)合間隙，通過減少形成融合中間產(chǎn)物所需的能量來促進(jìn)膜融合[15]。有研究結(jié)果顯示，膜膽固醇對肽結(jié)合力和組織的影響會隨膽固醇濃度的不同而不同。病毒融合肽與宿主膜結(jié)合親和力會隨著膜中膽固醇濃度的升高而增加[16]。因此，在冠狀病毒與宿主細(xì)胞的膜融合過程中，膽固醇是增加結(jié)合力的關(guān)鍵，可促進(jìn)病毒感染宿主細(xì)胞。

3 冠狀病毒感染中脂質(zhì)調(diào)節(jié)酶的活性

3.1 胞漿型磷脂酶A2α（cytoplasmic phospholipase A2 alpha，cPLA2α）

cPLA2α是一種關(guān)鍵的脂質(zhì)加工酶，屬于磷脂酶A2超家族，與雙膜囊泡的形成和冠狀病毒的感染密切相關(guān)。病毒感染宿主細(xì)胞后，cPLA2α被激活，通過膜相關(guān)甘油磷脂sn-2位點(diǎn)的裂解產(chǎn)生溶血磷脂和脂肪酸，是宿主細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)代謝變化的主要原因[17]。磷脂酶A2-ⅡD是一種通過脂質(zhì)介質(zhì)表達(dá)的酶，主要通過促炎、促分解等作用調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答，會導(dǎo)致冠狀病毒感染的小鼠預(yù)后惡化[18]。吡咯烷-2和花生四烯醇三氟甲烷可作為cPLA2α的2種抑制劑。采用透射電鏡觀察，使用該抑制劑可使被病毒感染的細(xì)胞中雙膜囊泡的形成明顯減少，進(jìn)而抑制病毒與宿主膜融合[2]。值得注意的是，cPLA2α抑制劑是直接抑制病毒感染而不是延遲反應(yīng)。

3.2 磷脂酰肌醇4-激酶β（phosphatidylinositol 4-kinase beta，PI4Kβ）

病毒非結(jié)構(gòu)蛋白刺激PI4Kβ在復(fù)制細(xì)胞器處積累，在局部產(chǎn)生大量PI4P。 DOROBANTU等[19]通過研究小核糖核酸病毒證實(shí)，PI4P可作為甾醇蛋白的錨，逆濃度梯度將膽固醇從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)送到高爾基體，介導(dǎo)膽固醇累積，進(jìn)而增加該病毒的融合效率。除此之外，PI4P還是磷脂酰肌醇4，5-二磷酸的前體，也是膜轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。DOROBANTU等[20]在研究丙型肝炎病毒時發(fā)現(xiàn)，磷脂酰肌醇4，5-二磷酸通過膜接觸蛋白介導(dǎo)具有脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能的效應(yīng)蛋白的膜募集。

3.3 甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白（sterol regulatory element binding protein，SREBP）

SREBP是一類轉(zhuǎn)錄因子，也是脂質(zhì)生物合成的調(diào)節(jié)因子，還是一種抗病毒脂質(zhì)效應(yīng)劑[21]。細(xì)胞膜中膽固醇濃度的動態(tài)平衡依賴于SREBP。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)膽固醇減少時，可激活甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白裂解激活蛋白（sterol regulatory element binding protein cleavageactivating protein，SCAP），SCAP與SREBP形成復(fù)合物，在甾醇耗盡的條件下，這種SREBPSCAP復(fù)合物被運(yùn)輸?shù)礁郀柣w，由site-1蛋白酶和site-2蛋白酶將SREBP切割成成熟的轉(zhuǎn)錄因子形式，再與固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合，激活編碼膽固醇合成的酶和低密度脂蛋白受體基因的轉(zhuǎn)錄[22]。當(dāng)胞內(nèi)膽固醇濃度較高時，SCAP不再運(yùn)送SREBP到高爾基體進(jìn)行蛋白裂解，并且細(xì)胞核內(nèi)SREBP 氨基端結(jié)構(gòu)域發(fā)生降解，膽固醇合成停止。因此，該信號傳導(dǎo)通路中任一環(huán)節(jié)的變化均會導(dǎo)致固醇代謝紊亂，影響病毒融合肽結(jié)合。

3.4 膽固醇25-羥化酶（cholesterol 25 hydroxylase，CH25H）

CH25H是一種宿主限制因子，主要作用是催化膽固醇氧化成25-羥基膽固醇，其在抑制病毒感染中起重要作用。有研究結(jié)果顯示，25-羥基膽固醇通過控制過度表達(dá)的甾醇生物合成途徑，使SREBP-SCAP復(fù)合物在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中保留，抑制膽固醇的生物合成[23]。因此，CH25H是膽固醇的抑制劑，又通過膽固醇影響病毒融合肽結(jié)合力，又被認(rèn)為是病毒的抑制劑。

3.5 枯草芽孢桿菌表面蛋白

枯草芽孢桿菌表面蛋白最初被發(fā)現(xiàn)于枯草芽孢桿菌中，是一個由七肽和脂肪酸組成的環(huán)狀分子，其結(jié)構(gòu)與楔形脂的特征一致：由2個酸性氨基酸殘基形成1個相對較大的親水頭，而長鏈脂肪酸形成1個相對較小的疏水尾；將楔形脂質(zhì)插入外膜小葉，可穩(wěn)定正曲率，降低膜融合的可能性[24]。熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，少量枯草芽孢桿菌表面蛋白的加入阻礙了層狀相脂質(zhì)負(fù)曲率的形成，表明枯草芽孢桿菌表面蛋白是一種膜融合抑制劑，可顯著降低病毒與細(xì)胞膜融合的速度[25]。

4 脂質(zhì)對冠狀病毒膜融合抑制肽活性的影響

冠狀病毒的感染需要病毒尖峰蛋白，該蛋白附著在細(xì)胞受體上，經(jīng)過蛋白酶水解裂解后，融合催化區(qū)暴露七肽重復(fù)序列2（heptapeptide repeat 2，HR2）肽，形成反平行的螺旋束，將病毒與宿主細(xì)胞連接起來，隨后其疏水端“融合肽”部分嵌入靶細(xì)胞膜[26]。冠狀病毒尖峰蛋白經(jīng)過蛋白水解形成以HR2肽為靶點(diǎn)的融合中間產(chǎn)物（融合抑制肽），融合抑制肽是病毒融合催化區(qū)的膜近端部分中高度相似或相同的肽，HR2肽與融合抑制肽結(jié)合后，干擾融合催化區(qū)（HR2肽）的活性，阻斷病毒融合過程[27]。而且，HR2肽僅與融合抑制肽結(jié)合，不與融合前和融合后的尖峰蛋白結(jié)合。由此可見，HR2肽與由蛋白酶引導(dǎo)的尖峰蛋白轉(zhuǎn)化成的融合抑制肽結(jié)合是其發(fā)揮抗病毒作用的關(guān)鍵，可阻止冠狀病毒感染宿主細(xì)胞。

脂質(zhì)能顯著提高HR2肽的抗病毒活性，并能提示脂化的HR2肽在融合抑制肽的位置累積。脂化的融合抑制肽若定位于病毒融合部位，可保護(hù)宿主細(xì)胞免受冠狀病毒感染[28]。有研究結(jié)果顯示，在MERSr-CoV感染的細(xì)胞中，膽固醇標(biāo)記的HR2肽會抑制MERSr-CoV進(jìn)入宿主細(xì)胞，這提示脂化的HR2肽有較高的抗病毒活性[29]。

5 小結(jié)

有關(guān)冠狀病毒感染的脂質(zhì)及其相關(guān)調(diào)節(jié)酶的代謝變化、作用見表1。目前，治療冠狀病毒感染、研發(fā)抗病毒藥物、有效緩解臨床癥狀及降低藥物的副作用仍是相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)。對高度保守的RNA病毒具有廣譜抗病毒作用的藥物的靶點(diǎn)仍然很少。在冠狀病毒感染中，病毒融合反應(yīng)涉及許多方面，如病毒尖峰蛋白融合催化區(qū)、蛋白酶、脂質(zhì)成分、離子環(huán)境等。脂質(zhì)代謝途徑可能是治療冠狀病毒感染的一個有價(jià)值的靶點(diǎn)。將脂質(zhì)組學(xué)與生物學(xué)、免疫學(xué)結(jié)合，探索病毒感染的特定致病機(jī)制，發(fā)現(xiàn)新的治療策略，將是未來抗病毒研究的重要方向之一。

表1 脂質(zhì)及其相關(guān)調(diào)節(jié)酶在冠狀病毒感染中的變化和作用