杨金奎教授团队揭示新冠病毒入侵机制和广谱抗突变株药物新靶点
近日，首都医科大学附属北京同仁医院杨金奎教授、中国科学院生物物理研究所孙飞研究员、中国药品生物制品检定研究院王佑春教授以及中国农业科学院哈尔滨兽医研究所步志高教授在Cell Discovery杂志（最新影响因子：38.1）发表题为“Novel cleavage sites identified in SARS-CoV-2 spike protein reveal mechanism for cathepsin L-facilitated viral infection and treatment strategies”的最新研究成果[1]。研究团队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，并进一步验证了CTSL抑制剂可有效在细胞、动物及人体肺组织中阻断新冠病毒（包括奥密克戎等突变株）感染。区别于目前新冠疫苗及抗病毒药物靶点均针对病毒本身的研发策略（病毒易产生突变和逃脱），本项目关注人体宿主蛋白如何帮助新冠病毒感染，因为人体宿主蛋白不会发生突变。本项目有望解决传统新冠药物的耐药性问题，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。首都医科大学附属北京同仁医院博士生赵苗妙、中国科学院生物物理研究所朱赟研究员、中国药品生物制品检定研究院张黎副研究员及中国农业科学院哈尔滨兽医研究所钟功勋研究员为本文共同第一作者。
目前新冠病毒仍处于大流行阶段。美国辉瑞公司的Paxlovid是全球公认治疗新冠肺炎的药物，该药的主要靶点是新冠病毒中的3CL蛋白酶，但这个药物靶点在很多新冠病毒突变株如奥密克戎上都存在众多突变位点，使得利用这类药物防治现有和未来出现的新突变病毒存在风险。如何研发广谱抗新冠病毒的特效药物是全球科学家正在努力攻关的难题。
作为一名内分泌与代谢疾病专家，杨金奎教授对冠状病毒的关注始于2003年的非典时期。2003年出现的SARS-CoV-1病毒和本次的SARS-CoV-2病毒都是通过其刺突蛋白Spike与血管紧张素转换酶2（ACE2）受体的结合来感染宿主细胞的。杨金奎课题组经过多年潜心研究，陆续发现ACE2基因与糖尿病高度相关[2]；敲除ACE2会导致胰岛素分泌减少，并逐渐损害糖耐量[3]；ACE2途径可以改善局部血流、炎症、应激状态和纤维化，从而改善葡萄糖转运、脂解、代谢和代谢[4,5]。这些研究也部分解释了新冠感染合并糖尿病患者发病率和死亡率较高的原因。
在新冠病毒感染爆发后，杨金奎课题组很快发现，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，研究结果发表于Signal Transduct Target Ther杂志（影响因子：38.1）[6]。为了研究其具体的分子机制，杨金奎教授组织了多学科专长的研究团队开展深入研究。在新冠病毒感染入侵宿主细胞的过程中，需要依赖于宿主细胞蛋白酶对Spike蛋白进行切割和激活。研究团队发现，人体的CTSL可有效切割并激活Spike蛋白，而且鉴定到Spike蛋白上的2个具体切割位点（分别命名为CS-1和CS-2）。这两个切点在新冠病毒所有变异株包括奥密克戎株中均高度保守。
研究团队进一步发现，突变CS-1或CS-2位点后的新冠假病毒感染率明显降低，联合双位点突变的假病毒几乎不能感染细胞，提示了新冠病毒感染高度依赖于CTSL的切割作用。通过冷冻电镜单颗粒技术证实，CTSL酶切可以显著激活Spike蛋白，使RBD-down的未激活态的Spike蛋白由处理前的100%降至26%，而能够与病毒受体ACE2结合的RBD-up/weak构象状态的比例由0%升至42%，并且发现了一种全新的S1消失暴露出S2部位融合肽的构象状态，比例占32%（图1）。该研究提示，CTSL激活Spike蛋白不仅可以提高新冠病毒与ACE2的亲和力，并且可以诱导病毒与细胞膜融合，释放遗传物质。后续的BLI亲和力实验和细胞膜融合实验也直接证实了上述结论。
图1. 人体组织蛋白酶可以特异性切割新冠病毒的刺突蛋白，而阻断该蛋白酶是有效的抗病毒靶点
研究团队进一步筛选并验证了几个CTSL抑制剂，证实了它们在细胞水平、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，并且在目前已知的新冠病毒突变株中（包括奥密克戎株）都具有良好的抑制效果。更重要的是，这些抑制剂均已验证与新冠感染有关的其他蛋白酶无交叉作用，提示直接抑制CTSL即可发挥有效的抗新冠病毒感染的效果。这些发现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。
综上，本研究在国际上首次阐明了人体组织蛋白酶CTSL激活新冠Spike蛋白的分子机制，鉴定出CTSL在Spike蛋白上的切割位点及其导致的Spike结构变化，证明CTSL抑制剂可有效地在细胞水平和动物水平以及离体人肺组织中抑制新冠病毒感染。CTSL的抑制剂可有效避免因病毒突变导致的耐药性问题，是一个理想的广谱抗病毒药物靶点。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。
参考文献：
1. Zhao MM, Zhu Y, Zhang L, Zhong G, Tai L, Liu S, Yin G, Lu J, He Q, Li MJ, Zhao RX, Wang H, Huang W, Fan C, Shuai L, Wen Z, Wang C, He X, Chen Q, Liu B, Xiong X, Bu Z, Wang Y, Sun F, Yang JK. Novel cleavage sites identified in SARS-CoV-2 spike protein reveal mechanism for cathepsin L-facilitated viral infection and treatment strategies. Cell Discov. 2022 Jun 6; 8(1): 53.
2. Yang JK, Zhou JB, Xin Z, Zhao L, Yu M, Feng JP, Yang H, Ma YH. Interactions among related genes of renin-angiotensin system associated with type 2 diabetes. Diabetes Care. 2010; 33(10): 2271-2273.
3. Niu MJ, Yang JK, Lin SS, Ji XJ, Guo LM. Loss of angiotensin-converting enzyme 2 leads to impaired glucose homeostasis in mice. Endocrine. 2008; 34(1-3): 56-61.
4. Cao X, Song LN, Zhang YC, Li Q, Shi TT, Yang FY, Yuan MX, Xin Z, Yang JK. Angiotensin-converting enzyme 2 inhibits endoplasmic reticulum stress-associated pathway to preserve nonalcoholic fatty liver disease. Diabetes Metab Res Rev. 2019; 35(4): e3123.
5. Cao X, Yang FY, Xin Z, Xie RR, Yang JK. The ACE2/Ang-(1-7)/Mas axis can inhibit hepatic insulin resistance. Mol Cell Endocrinol. 2014; 393(1-2): 30-38.
6. Zhao MM, Yang WL, Yang FY, Zhang L, Huang WJ, Hou W, Fan CF, Jin RH, Feng YM, Wang YC, Yang JK. Cathepsin L plays a key role in SARS-CoV-2 infection in humans and humanized mice and is a promising target for new drug development. Signal Transduct Target Ther. 2021; 6(1): 134.
专家简介
杨金奎 教授
首都医科大学附属北京同仁医院
一级主任医师，博士研究生导师，享受国务院特殊津贴专家，2019年入选“北京学者”。
北京市糖尿病研究所所长，首都医科大学附属北京同仁医院内分泌科主任，糖尿病防治研究北京市重点实验室主任，首都医科大学内分泌与代谢病学系主任。
重点开展糖尿病微血管病变的临床研究和胰岛功能与分子标记物的基础研究。2006年发现冠状病毒 ACE2 受体对糖代谢的作用；2017年发现尿微量触珠蛋白预测糖尿病肾病新方法；2018年提出胰岛素分泌“双开关”控制理论；2021年发现黄连素降糖作用分子靶点；2021年发现CTSL为新冠肺炎治疗新靶点。作为首席科学家承担国家重点研发项目1项，主持国家自然科学基金重点项目、国际合作及面上项目 7 项。获国家新药证书 3 项，省级科技成果奖 6 项。在Diabetes Care（6篇）、STTT、Nature Comm、Cell Rep、eLife等发表SCI论文115篇；他引超过5000次。
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（来源：《国际糖尿病》编辑部）
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