脂质在人冠状病毒感染中的作用

张慧杰，董海荣

（1.内蒙古医科大学，内蒙古 呼和浩特 010110；2.呼和浩特市第一医院，内蒙古 呼和浩特 010030）

目前，已发现有7种冠状病毒可感染人类，包括人类冠状病毒229E（human coronavirus 229E，hCoV-229E）、中东呼吸综合征冠状病毒（middle east respiratory syndrome-related coronavirus，MERSr-CoV）、严重急性呼吸综合征冠状病毒（severe acute respiratory syndromerelated coronavirus，SARSr-CoV）、人类冠状病毒OC43、人类冠状病毒HKU1、人类冠状病毒NL63及严重急性呼吸综合征冠状病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARSCoV-2）[1]。有研究结果显示，脂质与病毒感染有关，尤其是甘油磷脂和胆固醇，在病毒感染中发挥重要作用[2-3]。脂质及其调节酶通过介导病毒膜融合参与、调节及控制病毒感染。以脂质为靶点阻断病毒融合，抑制病毒侵入，是治疗病毒感染的一个新策略。本文拟对脂质在冠状病毒感染中的作用作一综述。

1 脂质在冠状病毒感染中的作用

病毒在与目标宿主细胞的结合过程中，首先与细胞受体相互作用，在质膜处以内吞途径将病毒包膜与细胞膜融合，随后将其遗传物质传递到细胞内。膜融合依赖于双膜囊泡和其他膜结构的参与，如细胞器膜。膜脂质成分主要由甘油磷脂及胆固醇组成，如磷脂酰胆碱（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适合其复制的细胞器，从而协助病毒感染细胞[2]。因此，脂质是冠状病毒感染过程中膜融合的关键因素。此外，脂质可作为包膜病毒在细胞表面的直接受体，产生各个阶段中病毒感染所需的能量等物质[4]。脂质还可围绕在病毒最外侧组成包膜，在病毒入侵宿主细胞的过程中保护病毒结构的完整性。

2 冠状病毒感染人体的过程中脂质的变化

YAN等[5]发现，在hCoV-229E感染的细胞中鉴定出24种脂质，主要为溶血磷脂和脂肪酸两大类，其含量在被病毒感染的细胞中明显上调，其中包括溶血磷脂酰胆碱（lysophosphatidylcholine，lysoPC）、溶血磷脂酰乙醇胺（lysophosphatidylethanolamine，lysoPE）、花生四烯酸（arachidonic acid，AA）、亚油酸（linoleic acid，LA）、C-16抗血小板激活因子及磷脂酸在内的7种具有代表性的脂类已被确认，见图1。YAN等[5]还发现LA和AA在高致病性MERSr-CoV复制过程中的抑制作用被保留。然而，体外实验结果显示，在被冠状病毒感染的细胞中补充LA和AA可显著抑制HCoV-229E和高致病性MERSr-CoV的复制[6]，这可能是因为外源补充的LA和AA可能会干扰宿主细胞LA-AA代谢轴而影响病毒复制。由此可见，病毒感染细胞时并不是随机干扰细胞脂质成分，而是会精确地调节和重排宿主细胞的脂质分布，达到一种利于病毒侵入的平衡、稳定的状态。此时，任何破坏平衡的外源性操作都可能干扰病毒侵入。

图1 病毒感染干扰LA-AA代谢轴的示意图

2.1 磷脂

2.1.1 PC PC通过内质网定位酶催化途径合成，该途径是大多数哺乳动物细胞中PC生物合成的主要途径。在酵母中，PC是在内质网质膜上通过PE甲基化产生的[7]。在被hCoV-229E感染的细胞中，PC是所有已识别脂质的主要类别，约占所有已识别脂质的60%，且在受感染细胞中持续升高[5]。VANCE等[8]推测，多种包膜病毒可能通过内质网-病毒复制室-内质网质膜处的反式PE甲基化来改变宿主脂质代谢，无需将酶在内质网重新定位，而是局部产生PC，这可能是PC在感染细胞中持续升高的原因。此外，PC也是一种有效的病毒抑制剂，可以抑制由多种病毒融合肽介导的合胞体的形成，进而阻碍病毒融合肽与宿主细胞的膜融合作用[9]。

2.1.2 PE PE可诱导各种细胞反应，但在人体内含量很低。ALTAN-BONNET等[10]的研究结果表明，冠状病毒的复制会影响PE的生物合成，可能是在病毒复制器处积聚PE，作为病毒复制器的扩展底座，以利于这类病毒感染人类。

2.1.3 磷脂酰肌醇4-磷酸（phosphatidylinositol 4-phosphate，PI4P） PI4P是细胞内含量丰富的磷脂酰肌醇之一。宿主细胞被包膜病毒感染后，PI4P水平会明显升高。PI4P脂类作为氧化甾醇结合蛋白的锚定物，驱动氧化甾醇结合蛋白介导的病毒复制器中的胆固醇积聚，增加病毒的肽结合力[11]。此外，PI4P结构域和磷脂酰肌醇4，5-二磷酸结构域对细胞正常的内吞转运很重要，通过对二者的双标记发现，这2种结构域分别定位于晚内切体和早内切体，且与冠状病毒感染相关[12]。

2.2 脂肪酸

LA和AA均属于多不饱和脂肪酸，可以被代谢成二十烷酸及其代谢物，在宿主免疫应答和冠状病毒感染的发病机制中发挥多重作用[13]。LA和AA均是细胞膜的关键成分，可通过调节酶、离子通道、受体以及炎症反应，在许多组织中发挥基本的生物学功能[2]。有研究结果显示，AA在被hCoV-229E感染的细胞中和所有已鉴定的脂类中的变化最大，其最大变化倍数为7.1倍[5]。LA-AA代谢轴是冠状病毒感染中最易受干扰的代谢途径，调节宿主细胞中脂质代谢、脂质重排或其他过程，见图1。

2.3 胆固醇

宿主细胞膜的脂质组成决定了冠状病毒感染过程中膜融合的效率。胆固醇广泛存在于宿主真核细胞膜上，是病毒膜融合过程中的靶点之一。细胞膜中的胆固醇可改变膜结合肽的寡聚状态，改变病毒融合肽与宿主膜组织的结合力[14]。此外，鞘脂的不饱和碳链降低了范德华力与细胞膜中磷脂的不饱和酰基链的相互作用，胆固醇可以填补鞘脂的结合间隙，通过减少形成融合中间产物所需的能量来促进膜融合[15]。有研究结果显示，膜胆固醇对肽结合力和组织的影响会随胆固醇浓度的不同而不同。病毒融合肽与宿主膜结合亲和力会随着膜中胆固醇浓度的升高而增加[16]。因此，在冠状病毒与宿主细胞的膜融合过程中，胆固醇是增加结合力的关键，可促进病毒感染宿主细胞。

3 冠状病毒感染中脂质调节酶的活性

3.1 胞浆型磷脂酶A2α（cytoplasmic phospholipase A2 alpha，cPLA2α）

cPLA2α是一种关键的脂质加工酶，属于磷脂酶A2超家族，与双膜囊泡的形成和冠状病毒的感染密切相关。病毒感染宿主细胞后，cPLA2α被激活，通过膜相关甘油磷脂sn-2位点的裂解产生溶血磷脂和脂肪酸，是宿主细胞内脂质代谢变化的主要原因[17]。磷脂酶A2-ⅡD是一种通过脂质介质表达的酶，主要通过促炎、促分解等作用调节免疫应答，会导致冠状病毒感染的小鼠预后恶化[18]。吡咯烷-2和花生四烯醇三氟甲烷可作为cPLA2α的2种抑制剂。采用透射电镜观察，使用该抑制剂可使被病毒感染的细胞中双膜囊泡的形成明显减少，进而抑制病毒与宿主膜融合[2]。值得注意的是，cPLA2α抑制剂是直接抑制病毒感染而不是延迟反应。

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

病毒非结构蛋白刺激PI4Kβ在复制细胞器处积累，在局部产生大量PI4P。 DOROBANTU等[19]通过研究小核糖核酸病毒证实，PI4P可作为甾醇蛋白的锚，逆浓度梯度将胆固醇从内质网运送到高尔基体，介导胆固醇累积，进而增加该病毒的融合效率。除此之外，PI4P还是磷脂酰肌醇4，5-二磷酸的前体，也是膜转运和代谢的关键调节因子。DOROBANTU等[20]在研究丙型肝炎病毒时发现，磷脂酰肌醇4，5-二磷酸通过膜接触蛋白介导具有脂质转运功能的效应蛋白的膜募集。

3.3 甾醇调节元件结合蛋白（sterol regulatory element binding protein，SREBP）

SREBP是一类转录因子，也是脂质生物合成的调节因子，还是一种抗病毒脂质效应剂[21]。细胞膜中胆固醇浓度的动态平衡依赖于SREBP。当细胞内胆固醇减少时，可激活甾醇调节元件结合蛋白裂解激活蛋白（sterol regulatory element binding protein cleavageactivating protein，SCAP），SCAP与SREBP形成复合物，在甾醇耗尽的条件下，这种SREBPSCAP复合物被运输到高尔基体，由site-1蛋白酶和site-2蛋白酶将SREBP切割成成熟的转录因子形式，再与固醇调节元件结合，激活编码胆固醇合成的酶和低密度脂蛋白受体基因的转录[22]。当胞内胆固醇浓度较高时，SCAP不再运送SREBP到高尔基体进行蛋白裂解，并且细胞核内SREBP 氨基端结构域发生降解，胆固醇合成停止。因此，该信号传导通路中任一环节的变化均会导致固醇代谢紊乱，影响病毒融合肽结合。

3.4 胆固醇25-羟化酶（cholesterol 25 hydroxylase，CH25H）

CH25H是一种宿主限制因子，主要作用是催化胆固醇氧化成25-羟基胆固醇，其在抑制病毒感染中起重要作用。有研究结果显示，25-羟基胆固醇通过控制过度表达的甾醇生物合成途径，使SREBP-SCAP复合物在内质网中保留，抑制胆固醇的生物合成[23]。因此，CH25H是胆固醇的抑制剂，又通过胆固醇影响病毒融合肽结合力，又被认为是病毒的抑制剂。

3.5 枯草芽孢杆菌表面蛋白

枯草芽孢杆菌表面蛋白最初被发现于枯草芽孢杆菌中，是一个由七肽和脂肪酸组成的环状分子，其结构与楔形脂的特征一致：由2个酸性氨基酸残基形成1个相对较大的亲水头，而长链脂肪酸形成1个相对较小的疏水尾；将楔形脂质插入外膜小叶，可稳定正曲率，降低膜融合的可能性[24]。热力学实验结果表明，少量枯草芽孢杆菌表面蛋白的加入阻碍了层状相脂质负曲率的形成，表明枯草芽孢杆菌表面蛋白是一种膜融合抑制剂，可显著降低病毒与细胞膜融合的速度[25]。

4 脂质对冠状病毒膜融合抑制肽活性的影响

冠状病毒的感染需要病毒尖峰蛋白，该蛋白附着在细胞受体上，经过蛋白酶水解裂解后，融合催化区暴露七肽重复序列2（heptapeptide repeat 2，HR2）肽，形成反平行的螺旋束，将病毒与宿主细胞连接起来，随后其疏水端“融合肽”部分嵌入靶细胞膜[26]。冠状病毒尖峰蛋白经过蛋白水解形成以HR2肽为靶点的融合中间产物（融合抑制肽），融合抑制肽是病毒融合催化区的膜近端部分中高度相似或相同的肽，HR2肽与融合抑制肽结合后，干扰融合催化区（HR2肽）的活性，阻断病毒融合过程[27]。而且，HR2肽仅与融合抑制肽结合，不与融合前和融合后的尖峰蛋白结合。由此可见，HR2肽与由蛋白酶引导的尖峰蛋白转化成的融合抑制肽结合是其发挥抗病毒作用的关键，可阻止冠状病毒感染宿主细胞。

脂质能显著提高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积。脂化的融合抑制肽若定位于病毒融合部位，可保护宿主细胞免受冠状病毒感染[28]。有研究结果显示，在MERSr-CoV感染的细胞中，胆固醇标记的HR2肽会抑制MERSr-CoV进入宿主细胞，这提示脂化的HR2肽有较高的抗病毒活性[29]。

5 小结

有关冠状病毒感染的脂质及其相关调节酶的代谢变化、作用见表1。目前，治疗冠状病毒感染、研发抗病毒药物、有效缓解临床症状及降低药物的副作用仍是相关学科的研究热点。对高度保守的RNA病毒具有广谱抗病毒作用的药物的靶点仍然很少。在冠状病毒感染中，病毒融合反应涉及许多方面，如病毒尖峰蛋白融合催化区、蛋白酶、脂质成分、离子环境等。脂质代谢途径可能是治疗冠状病毒感染的一个有价值的靶点。将脂质组学与生物学、免疫学结合，探索病毒感染的特定致病机制，发现新的治疗策略，将是未来抗病毒研究的重要方向之一。

表1 脂质及其相关调节酶在冠状病毒感染中的变化和作用