文献解析|杨金奎教授团队揭示新冠病毒入侵机制与广谱抗突变株药物新靶点

引言

近日，首都医科大学附属北京同仁医院的杨金奎教授团队在Cell Discovery杂志上发表了一篇题为“Novel cleavage sites identified in SARS-CoV-2 spike protein reveal mechanism for cathepsin L-facilitated viral infection and treatment strategies”的研究论文。该研究首次阐明了新冠病毒借助人体组织蛋白酶L（CTSL）入侵细胞的分子机制，并验证了CTSL抑制剂在细胞、动物及人体肺组织中可有效阻断新冠病毒（包括奥密克戎等突变株）的感染。这一发现为新冠病毒药物研发提供了新的靶点和思路，有望解决传统新冠药物的耐药性问题。

研究背景

自2019年底新冠病毒（SARS-CoV-2）爆发以来，全球科学家一直在努力研究其感染机制和有效治疗方法。新冠病毒通过其刺突蛋白（Spike）与血管紧张素转换酶2（ACE2）受体的结合来感染宿主细胞，这是病毒感染的关键步骤。然而，病毒的高度变异性和对现有药物的耐药性一直是治疗新冠肺炎的重要挑战。

杨金奎教授作为一名内分泌与代谢疾病专家，对冠状病毒的研究始于2003年的非典时期。多年来，他带领团队在冠状病毒与宿主细胞的相互作用方面取得了诸多重要发现。特别是在新冠病毒爆发后，他们发现感染患者血循环中CTSL水平升高，且与患者的病程及严重程度呈正相关，提示CTSL在新冠病毒感染过程中发挥了重要作用。

研究方法

为了深入研究CTSL在新冠病毒感染中的作用，杨金奎教授组织了一个多学科专长的研究团队，包括来自首都医科大学附属北京同仁医院、中国科学院生物物理研究所、中国药品生物制品检定研究院和中国农业科学院哈尔滨兽医研究所的专家。

1. 样本采集与实验设计：
   • 研究团队首先采集了新冠病毒感染患者和未感染患者的血浆样本，进行CTSL水平的检测。
   • 利用SARS-CoV-2假病毒系统进行体外实验，观察CTSL对病毒感染的影响。
   • 通过动物实验和离体人体肺组织实验，验证CTSL抑制剂的抗病毒效果。
2. 分子机制研究：
   • 利用N端测序和LS-MS技术，在Spike蛋白中鉴定CTSL的切割位点。
   • 通过冷冻电镜单颗粒技术观察CTSL酶切Spike蛋白后的结构变化。
   • 进行BLI亲和力实验和细胞膜融合实验，验证CTSL激活Spike蛋白后的功能变化。

研究结果

1. CTSL在新冠病毒感染中的作用：
   • 研究发现，人体内的CTSL可有效切割并激活Spike蛋白，从而协助新冠病毒入侵宿主细胞。
   • 在Spike蛋白上鉴定到两个具体的切割位点CS-1和CS-2，这两个位点在所有新冠病毒变异株（包括奥密克戎株）中均高度保守。
2. CTSL切割Spike蛋白的分子机制：
   • 通过冷冻电镜单颗粒技术，观察到CTSL酶切可以显著激活Spike蛋白，使其从RBD-down的未激活态转变为RBD-up/weak构象状态，暴露与ACE2受体结合的位点。
   • 发现了一种全新的S1消失暴露出S2部位融合肽的构象状态，这一构象状态在CTSL酶切后显著增加。
3. CTSL抑制剂的抗病毒效果：
   • 研究团队筛选并验证了几个CTSL抑制剂，发现它们在细胞水平、动物水平以及离体人体肺组织中均能有效抑制新冠病毒感染。
   • 这些抑制剂对目前已知的新冠病毒突变株（包括奥密克戎株）都具有良好的抑制效果，且与新冠感染有关的其他蛋白酶无交叉作用。

重要意义

1. 解决耐药性问题：
   • 传统的新冠药物和疫苗主要针对病毒本身，但病毒易产生突变和逃脱，导致药物失效。本研究关注人体宿主蛋白CTSL，因为宿主蛋白不会发生突变，因此CTSL抑制剂有望解决传统新冠药物的耐药性问题。
2. 提供新靶点和新思路：
   • 本研究提供了针对新冠病毒感染药物研发的新靶点和新思路，即直接通过抑制人体相关蛋白酶来阻断病毒感染。这种方式可有效抵抗因病毒突变导致的药效降低，为未来可能发生的由于新冠病毒突变造成的疫情反复做好充分准备。
3. 推动药物研发：
   • 本研究发现的CTSL切割位点可为之后的药物研发提供重要的研究基础。基于这些发现，科学家可以进一步开发针对CTSL的广谱抗病毒药物，为新冠肺炎的治疗提供更多选择。

临床意义

1. 糖尿病患者的治疗：
   • 研究发现，高血糖状态可以促进CTSL在细胞中的成熟，从而加强新冠病毒的感染能力。这一发现为糖尿病患者的新冠病毒感染治疗和预防提供了重要指导。通过控制血糖水平，可以降低CTSL的活性，从而减轻新冠病毒感染的严重程度。
2. 改善预后：
   • 了解CTSL在新冠病毒感染中的作用，有助于医生更好地评估患者的病情和预后。通过监测CTSL水平，可以预测患者的疾病进展和治疗效果，为个体化治疗提供依据。
3. 公共卫生策略：
   • 本研究为公共卫生策略的制定提供了科学依据。通过针对CTSL的干预措施，可以降低新冠病毒感染的传播风险，减少疫情的爆发和蔓延。

展望

随着研究的深入，我们有望找到更加有效的策略来管理新冠病毒感染，特别是针对糖尿病患者等高风险人群。未来，科学家将继续探索CTSL在新冠病毒感染中的其他作用机制，以及开发更加安全、有效的抗病毒药物。同时，加强国际合作，共享研究成果，也是推动全球抗疫事业的重要一环。