揭示新型冠狀病毒SARSCoV2進入宿主細胞機制

　　冠狀病毒科（Coronaviridae）的幾個成員在人群中不斷傳播并通常引起輕度呼吸道疾病。相反，嚴重急性呼吸綜合征（SARS）冠狀病毒（SARS-CoV）和中東呼吸綜合征（MERS）冠狀病毒（MERS-CoV）是從動物傳播給人類的，分別在患病者中引起嚴重的呼吸道疾病SARS和MERS。SARS于2002年在中國廣東省出現，其隨后的全球蔓延與8096例病例和774例死亡有關。諸如果子貍之類的中間宿主促進了在人類中的傳播，果子貍在中國的潮濕市場經常作為食物來源出售。目前，尚無抗擊SARS的抗病毒藥物或批準的疫苗，而且2002-2003年SARS疫情最終通過常規控制措施制止，包括出行限制和隔離患者。

　　2019年12月，中國湖北省武漢市出現了一種新的傳染性呼吸道疾病。最初的感染人群與武漢華南海鮮市場有關，可能與動物接觸有關。人與人之間的傳播隨后發生了，如今這種被稱為COVID-19（coronavirus disease 19）的疾病在中國迅速傳播。一種與SARS-CoV密切相關的新型冠狀病毒SARS-CoV-2（之前稱為2019年新型冠狀病毒, 2019-nCoV）在患者中發現，被認為是這種新型肺部疾病的病原體。截止2020年2月12日，中國共報告了47730例實驗室確診感染，包括8204例嚴重病例和1114例死亡。在中國以外的24個國家中也發現了感染，并且與國際旅行有關。目前，尚不清楚SARS-CoV-2和SARS-CoV之間的序列相似性是否轉化為相似的生物學特性，包括大流行潛力。

　　冠狀病毒的刺突（S）蛋白（下稱S蛋白）有助于病毒進入靶細胞。細胞進入取決于S蛋白的表面亞基S1與細胞受體的結合，這種結合有助于病毒附著至靶細胞的表面。另外，細胞進入需要通過細胞蛋白酶激活S蛋白（S protein priming），這需要在S蛋白的S1/S2和S2'位點切割這種蛋白，并允許病毒膜和細胞膜融合，這一過程由S蛋白的S2亞基驅動。SARS-CoV S蛋白以血管緊張素轉換酶2（ACE2）作為進入受體，并利用細胞絲氨酸蛋白酶TMPRSS2激活S蛋白。已在原子水平上闡明了SARS-CoV S/ACE2界面，發現ACE2的使用效率是SARS-CoV傳播能力的關鍵決定因素。SARS-CoV S蛋白和SARS-CoV-2 S蛋白具有大約76％的氨基酸序列一致性（sequence identity）。然而，人們仍不清楚SARS-CoV-2 S蛋白是否像SARS-CoV S蛋白那樣使用ACE2和TMPRSS2進入宿主細胞。

　　在一項新的研究中，德國研究人員提供證據表明SARS-CoV-2的宿主細胞進入依賴于SARS-CoV受體ACE2，并且可以被臨床證明的細胞絲氨酸蛋白酶TMPRSS2抑制劑阻斷，而且TMPRSS2被SARS-CoV-2用于S蛋白激活。此外，這項研究還發現針對SARS-CoV產生的抗體反應可以至少部分地抵御SARS-CoV-2感染。這些結果對人們對SARS-CoV-2的可傳播性和發病機理的理解具有重要意義，并揭示了進行治療性干預的靶標。相關研究結果以論文手稿的形式在線發表在Cell期刊上，論文標題為“SARS-CoV-2 cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically-proven protease inhibitor”。

圖片來自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.02.052。

　　這一關于SARS-CoV-2利用S蛋白與ACE2的結合進入宿主細胞的發現也被Zhou和他的同事們報道過（Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2012-7），它提示著這種冠狀病毒像SARS-CoV那樣靶向一系列細胞。在肺部，SARS-CoV主要感染肺細胞和巨噬細胞。然而，ACE2的表達不僅限于肺部，而且還觀察到SARS-CoV在ACE2+組織中的肺外擴散。雖然還需要比較SARS-CoV S蛋白和SARS-CoV-2 S蛋白對ACE2的親和力，但是這些研究人員認為可以預期SARS-CoV-2也會如此。

　　有人已提出上呼吸道中的ACE2適度表達可能會限制SARS-CoV的傳播。鑒于SARS-CoV-2相對于SARS-CoV的潛在傳播性增加，人們可能推測相比于SARS-CoV，這種新型冠狀病毒可能更高效地利用細胞附著促進因子來確保在上呼吸道的ACE2+細胞中建立強勁的感染。這可能包括與細胞聚糖的結合，這種結合是某些冠狀病毒的S1亞基的功能。最后，應該指出的是，ACE2表達可保護肺部免受損傷，并被SARS-CoV S蛋白下調表達，這可能促進了呼吸道疾病SARS。因此，確定SARS-CoV-2是否也干擾ACE2表達將很有趣。

　　宿主細胞蛋白酶激活冠狀病毒S蛋白對于病毒進入細胞至關重要，這種激活涉及在S蛋白的S1/S2和S2'位點進行切割。SARS-CoV-2 S蛋白的S1/S2切割位點含有多個精氨酸殘基（multibasic），具有較高的裂解能力（即易被切割）。實際上，SARS-CoV-2 S蛋白在細胞中被有效地切割，并且切割后的S蛋白可被整合到VSV病毒顆粒中。值得注意的是，這種切割位點序列可以確定冠狀病毒的人畜共患病潛力，并且與SARS-CoV-2存在最密切親緣關系的冠狀病毒RaTG13中并不存在一個含有精氨酸殘基的切割位點。因此，確定SARS-CoV-2進入人細胞是否需要一個含有精氨酸殘基的切割位點以及如何獲得這個切割位點將是有趣的。

　　SARS-CoV S蛋白可以使用內體半胱氨酸蛋白酶CatB/L在TMPRSS2陰性細胞中激活S蛋白（Simmons等，2005）。然而，通過TMPRSS2而不是CatB/L激活S蛋白對于病毒進入初級靶細胞以及在受感染宿主中的病毒傳播至關重要。這項新的研究表明，SARS-CoV-2的傳播還依賴于TMPRSS2活性，不過這些研究人員注意到，阻斷TMPRSS2活性的甲磺酸卡莫司他（camostat mesylate）抑制但不消除SARS-CoV-S2感染Calu-3細胞，這可能反映了CatB/L對殘余S蛋白的激活作用。人們可以推測，正如針對MERS-CoV的報道那樣，弗林蛋白酶（furin）在感染細胞中介導的S1/S2位點預先切割可能會促進隨后的TMPRSS2依賴性靶細胞進入。總的來說，這些新的發現和先前的研究工作強調了TMPRSS2是一種宿主細胞因子，它對于幾種臨床相關病毒的傳播至關重要，包括甲型流感病毒和冠狀病毒。相比之下，TMPRSS2對于發育和體內平衡是必不可少的，因此構成了一種有吸引力的藥物靶標。在這種情況下，值得注意的是，阻斷TMPRSS2活性的絲氨酸蛋白酶抑制劑甲磺酸卡莫司他在日本已獲準用于人類，盡管其適應癥與SARS-CoV-2無關。因此，可能可以考慮將這種化合物或具有潛在增強的抗病毒活性的相關化合物用于未經臨床試驗驗證地治療SARS-CoV-2感染者。

　　恢復期的SARS患者表現出中和抗體反應，即使在感染后24個月也可以檢測到，并且這種中和抗體反應主要針對SARS-CoV S蛋白。此外，含有重組S蛋白或滅活病毒的實驗性SARS疫苗可誘導中和抗體反應。雖然基于傳染性病毒的驗證實驗正在進行中，但是這項新研究的結果表明針對SARS-CoV S蛋白產生的中和抗體反應可能對SARS-CoV-2感染提供一些保護，這可能對疫情控制有影響。

　　總之，這項研究為SARS-CoV-2感染的第一步---病毒進入細胞---以及確定抗病毒干預的潛在靶標提供了至關重要的新見解。