mBio.|SARS-CoV-2与自噬的双向相互作用

成都中医药大学医学院微生物与免疫学系特聘教授周浩等人于2023年7月12日发表在mBio上的文章，题目为《Bidirectional interplay between SARS-CoV-2 and autophagy》。该文章讨论了自噬对SARS-CoV-2复制的影响，以及这种病毒在自噬发生时的引发的复杂机制。这种病毒与自噬的相互作用的有关因素可能为未来SARS-CoV-2的治疗提供新的思路。

背景介绍

人类冠状病毒（CoVs）是频繁感染人类的破坏性病毒家族，分为α-CoVs和β-CoVs两类。COVID-19由SARS-CoV-2感染引起，通过病毒刺突蛋白（S）与宿主细胞膜蛋白ACE2结合以及宿主蛋白酶TMPRSS2进入宿主细胞。SARS-CoV-2基因组编码29种蛋白质，包括多种结构蛋白和非结构蛋白，以生成新的病毒颗粒。非结构蛋白具有酶活性，并通过调节自身复制和胞吐过程来操纵细胞机制。一些研究揭示了SARS-CoV-2与宿主固有免疫的分子互作，尤其是其对自噬过程的影响，尽管在这一领域取得了一些进展，但其具体机制仍不明确。

自噬是一种“自我吞噬”过程，通过溶酶体介导多种细胞成分的降解和循环。自噬包括三种主要类型：微自噬、伴侣介导的自噬（CMA）和宏自噬。微自噬通过溶酶体膜的内陷直接吞噬细胞质物质。伴侣介导的自噬选择性降解特定蛋白质，这些蛋白质被伴侣蛋白识别并通过特定受体介导途径传递到溶酶体。宏自噬涉及双膜结构自噬体的形成，这些自噬体吞噬细胞质物质并将其传递到溶酶体进行降解。宏自噬是最广泛研究的自噬类型，通常简称为自噬。宏自噬是一种在所有真核生物中高度保守的细胞内降解途径，在细胞中起着重要的保洁作用，促进错误折叠蛋白和受损或功能障碍细胞器的溶酶体降解。在营养缺乏期间，自噬可以成为重要的能量来源。此外，自噬在存在细胞内病原体（如病毒）时被激活，能够直接靶向这些病原体进行溶酶体降解，从而增强对这些病原体的免疫反应。自噬通过专门的双膜囊泡（自噬体）将其货物传递到溶酶体，这是一个严格调控的过程，涉及30多种自噬相关蛋白（ATGs）。

有几种自噬启动信号的报道，而主要的自噬抑制剂雷帕霉素激酶复合体1(mTORC1)的机制靶点被认为是自噬的关键开关。在应激情况下，如饥饿或细胞内病原体感染，mTORC1被发现具有结构性的活性；mTORC1被上游信号抑制，加强了mTOR1对自噬途径施加的抑制作用。

目前有三条主要途径调控mTORC1的活性

(i)PI3K/AKT/mTORC1

(ii)RAS/RAF/MEK/ERK/mTORC1

(iii)AMPK/mTORC1

PI3K/AKT/mTORC1：它受多种细胞生长和生存信号的调节

RAS/RAF/MEK/ERK/mTORC1：该通路涉及大鼠肉瘤(RAS)、快速加速性纤维肉瘤(RAF)、丝裂原-细胞外激活蛋白激酶(MEK)和细胞外信号调节激酶(ERK)的顺序激活。不同的刺激，如生长因子、激素、细胞因子和环境压力的存在，可能导致该途径的激活。

AMPK/mTORC1：腺苷单磷酸激活蛋白激酶（AMPK）是一种能量感应激酶，在能量短缺条件下可以抑制mTOR的活性，从而启动自噬过程。此外，AMPK还可以激活类未协调51激酶1（ULK1）和III类PI3K复合体，这些都在mTORC1下游作用并调节自噬的启动。自噬的经典启动需要抑制mTORC1，在正常条件下，mTORC1会磷酸化并抑制自噬启动子ULK1的活性。ULK1是自噬启动复合体的催化亚基，该复合体还包含ATG13、ATG101和FIP200。ULK1复合体能够介导III类PI3K的磷酸化和激活。III类PI3K复合体包含BECN1、ATG14、PIK3R4/VPS15和PIK3C3/VPS34，VPS34的激酶活性在不同目标膜上生成PI3P，招募最后的自噬启动效应器WIPI2和DFCP1。在病毒感染应答中，免疫效应器如cGAS和STING1还可以诱导一种非经典的自噬过程。

自噬小体伸长：膜结合的WIPI2通过直接与ATG16L1亚基相互作用，将ATG12-ATG5-ATG16L1复合物招募到吞噬体组装位点（新生自噬体）。ATG12-ATG5-ATG16L1复合物对于自噬体的延伸至关重要，其形成需要ATG7（E1）和ATG10（E2）介导的一系列类泛素反应。该复合物介导MAP1LC3B/LC3的脂质化，将其纳入自噬体膜。LC3由pro-LC3合成，随后被ATG4切割为LC3-I，并通过类泛素反应与磷脂酰乙醇胺结合形成LC3-II，LC3-II装饰自噬体膜并在自噬体延伸和货物招募中起关键作用。

自噬降解：自噬货物的降解主要依赖于自噬溶酶体的形成，这是成熟自噬体与溶酶体或晚期内涵体与溶酶体融合后的产物。融合过程需要多个与囊泡运输相关的因素参与，如位于自噬体、晚期内涵体和溶酶体上的磷脂酰肌醇（PI(3)P和PI(4)P），以及Rab7等小GTP酶家族成员。Rab7能够招募多种效应蛋白，包括马达蛋白和系留因子，促成自噬体与溶酶体的融合。此外，STX17、SNAP29、VAMP7和VAMP8等SNARE复合体，以及ATG14、HOPS复合体和LAMP2等蛋白也在这一过程中发挥重要作用。

自噬作为防御机制抑制SARS-CoV-2复制，同时SARS-CoV-2利用自噬机制促进自身复制。

自噬激活抑制SARS-CoV-2:在SARS-CoV-2感染中，自噬被触发作为保护措施。SARS-CoV-2存在时，会激活ULK-1-Atg13和VPS34-VPS15-BECN1，促进自噬体形成。抑制自噬启动因子ATG5、ATG7、BECN1和FIP200会显著减少SARS-CoV-2在体外的复制。此外，自噬相关元素如溶酶体蛋白LAMP2与病毒蛋白共定位，通过与SARS-CoV-2的5′UTR相互作用大大抑制病毒RNA复制。尽管多数研究关注宏自噬与SARS-CoV-2的相互作用，但CMA在病毒复制中的潜在作用需进一步研究。药理学激活经典和非经典自噬能抑制SARS-CoV-2的复制和传播，但SARS-CoV-2也发展了多种策略来避免这种抑制。

SARS-CoV-2劫持自噬促进病毒复制：尽管SARS-CoV-2感染增加了自噬体的形成，病毒却能阻止自噬的后期过程，从而导致有利于病毒复制的不完全反应。SARS-CoV-2可能有意激活自噬以促进自身复制，例如通过上调ROS抑制PI3K/AKT/mTOR通路并促进自噬。病毒还通过激活III类PI3K生成PI3P，招募DFCP1形成双膜囊泡（DMVs），作为RNA复制器官。为避免自噬降解，SARS-CoV-2阻止自噬货物降解，使LC3或p62在感染细胞中积累。CRISPR筛选确定多种自噬相关基因如TMEM41B为SARS-CoV-2复制所需的宿主依赖因子。

SARS-CoV-2蛋白如何调控自噬：SARS-CoV-2通过多种蛋白和机制操纵自噬，突显了这种相互作用对病毒适应的重要性。ORF3a蛋白在多个层面干扰自噬，阻止自噬体与溶酶体融合，降低自噬流，从而逃避免疫清除。ORF3a通过阻断HOPS介导的SNARE复合体组装，诱导不完全的自噬过程，并促进溶酶体外吐和病毒释放。此外，ORF7a通过抑制溶酶体酸化和降解SNAP29阻止自噬体与溶酶体融合。M和E结构蛋白也阻断自噬周转，导致自噬体和p62积累。ORF8通过自噬选择性降解MHC-Ι，削弱抗病毒免疫监视；ORF10和M通过促进MAVS的自噬降解抑制先天免疫，降低IFN-I生成。NSP3、NSP6和NSP13等非结构蛋白也能下调自噬，干扰自噬启动和IFN-I生产。

自噬与受体ACE2相互作用调节病毒内化：自噬与SARS-CoV-2蛋白的直接相互作用外，ACE2受体的关联也会干扰病毒复制。ACE2的泛素化被自噬受体TOLLIP识别，导致ACE2通过选择性自噬降解，从而减少ACE2的可用性和病毒入侵。相反，ACE2与小泛素样修饰物3（SUMO3）结合能防止其泛素化，增强ACE2稳定性并增加病毒入侵。因此，抑制ACE2 SUMO化被建议作为抗SARS-CoV-2的潜在治疗策略。此外，ACE2的内化可能通过与自噬蛋白LC3的相互作用将病毒引导至自噬机制，这一过程受ACE2特定位点磷酸化调控，也可作为调节病毒入侵的治疗靶点。

如表1所示，通过药理激活或抑制自噬，许多研究成功地限制了SARS-CoV-2在体外、外植体和体内模型中的复制。一方面，使用雷帕霉素、精胺、亚精胺或SMIP004等药物诱导自噬，显示出对SARS-CoV-2复制和传播的抑制效果。这些药物在Vero细胞、原代气道细胞和人类类器官中表现出这种效果。另一项研究中，使用化合物AR12药理激活自噬流，在Vero细胞中成功地以剂量依赖方式损害病毒复制。不仅限于经典自噬过程，使用环状二核苷酸激活STING1，诱导ULK1非依赖性自噬，也显示出类似的抗病毒效果。

另一方面，考虑到SARS-CoV-2操纵自噬以增强其自身复制，不同研究得出结论，使用Daurisoline、GNS561、3-MA、环孢菌素A、噻呋喃或阿利斯泊韦等化合物抑制自噬，可显著抑制病毒复制。使用自噬抑制剂GNS561的治疗不仅导致自噬流的抑制，还增强了SARS-CoV-2与LAMP2斑点的共定位，支持了CMA在清除SARS-CoV-2成分中的潜在作用。除了3-MA，其他PI3K复合物抑制剂，如SAR405、VPS34-IN1或VPS34-IN2，也被证明在体外抑制SARS-CoV-2复制非常有效。总体而言，使用自噬抑制剂的治疗成功减少了不同细胞系、原代人鼻和支气管上皮细胞中的病毒粒子生成，并在体内模型及人肺组织中改善了病毒相关的肺炎。

根据现有文献，自噬机制在SARS-CoV-2感染中似乎扮演着双刃剑的角色。一方面，有研究指出自噬的抗病毒效果及多种病毒蛋白的对抗机制。另一方面，许多研究也描述了该病毒如何通过多种方式不仅对抗这种效果，还能诱导和利用自噬机制促进自身病毒颗粒的生成和传播。因此，进一步研究以全面理解SARS-CoV-2与自噬的复杂关系并开发有效的治疗方法至关重要。深入了解其他类型自噬（如微自噬或伴侣介导的自噬）的潜在影响，可能有助于解决当前文献中的一些冲突发现。

此外，SARS-CoV-2对自噬的操纵可能至少部分解释了COVID-19的某些特征性健康问题，特别是自噬失调与COVID-19患者的神经功能障碍有关。鉴于自噬在细胞因子生产中的作用，调节自噬已被提出作为抑制COVID-19患者中“细胞因子风暴”的潜在措施。因此，增加对SARS-CoV-2与自噬相互作用的了解，对于寻找新治疗靶点、提升抗病毒能力以及改善COVID-19患者的状况至关重要。

原文链接https://journals.asm.org/journal/mbio on 04 July 2024 by 2001:250:1002:6005::1:9541.

来源：ZhaoSunLab

编辑：吃一口小猫