2021-08-31
發表期刊
Signal Transduction and Targeted Therapy
影響因子
18.187
文章題目：HIF-1α promotes SARS-CoV-2 infection and aggravates inflflammatory responses to COVID-19
發表期刊：Signal Transduction and Targeted Therapy
技術手段：RNA-Seq
派森諾生物與暨南大學攜手合作，于2021年8月在 《Signal Transduction and Targeted Therapy》上發表了關于新冠病毒感染機制的研究成果。
研究背景
嚴重急性呼吸系統綜合癥冠狀病毒2 (SARS-CoV-2) 引起了在全球數十億人中流行傳播的2019 年冠狀病毒病 (COVID-19)。病毒引起的細胞因子風暴是導致COVID-19患者病情嚴重的主要原因。而年齡、性別和既往存在的共病（包括癌癥、糖尿病和心血管疾病）是COVID-19患者的主要危險因素。代謝途徑，特別是糖代謝，在COVID-19患者的預后中發揮著重要作用。治療COVID-19的常見方法包括抗感染、抗炎和抗細胞因子風暴治療，然而目前還沒有治療病毒感染的特效藥。因此，我們迫切需要了解SARS-CoV-2的感染和發病機制以及宿主的免疫和炎癥反應。
缺氧誘導因子1α(HIF-1α)是代謝、細胞增殖和血管生成等生理功能中起作用的關鍵調節因子。HIF-1α也是糖酵解和炎癥反應中的重要激活因子，這意味著HIF-1α對COVID-19的發病機制存在一定的影響。了解SARS-CoV-2的發病機制，尋找潛在的抗病毒藥物，非常值得關注。本研究基于RNA測序和臨床樣本的分析，探討SARS-CoV-2感染及發病的分子機制，為研制病毒感染特效藥奠定理論基礎。
研究思路
研究結果
1. COVID-19患者的免疫和代謝通路失調
從RNA-seq數據中鑒定出的18,483個基因中，有659個基因下調，856個基因上調。對患者和健康個體之間差異基因進行GO富集分析，富集到的GO條目包括膜功能、免疫反應、內質網定位和代謝途徑。同時顯示了患者和健康個體pbmc之間與基因失調相關KEGG通路的改變，結果發現在SARS-CoV-2感染后，代謝、免疫和細胞因子的信號通路受到調控。特別是TNF信號、NF-κB信號、HIF-1信號、代謝和免疫通路表達上調。
同時研究了年齡和炎癥反應之間的聯系，發現老年組的HIF-1信號通路和免疫通路均表達上調，表明HIF-1信號通路是老年患者與炎癥反應相關的關鍵調控因子之一。另外，在COVID-19患者的PBMCs中，有10個基因，包括缺氧誘導因子1α(HIF-1α)和6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-雙磷酸酶3(PFKFB3)、兩個糖酵解相關基因，以及其他與細胞增殖、免疫反應和代謝相關的基因表達上調。總的來說，SARS-CoV-2感染與COVID-19患者血液樣本中的HIF-1α、免疫和代謝的途徑高度相關。
圖1 COVID-19患者的免疫和代謝途徑失調
2.老年COVID-19患者炎癥反應過度，死亡率高
對SARS-CoV-2感染后患者體內參與免疫和炎癥反應的蛋白質水平進行研究。結果顯示，與健康組相比，患者組中IL-6、IL-10和TNF-α蛋白水平顯著改變，表明SARS-CoV-2會引起患者pbmc的炎癥反應。對年輕和老年患者進行研究表明老年人更容易受到感染SARS-CoV-2。與年輕健康個體相比年輕患者分泌的IL-2、IL-6、IL-10和TNF-α蛋白水平差異不大，但老年患者與老年健康個體相比分泌蛋白水平明顯升高。此外，與年齡在50歲以下的患者相比，65歲以上患者的死亡病例數要高得多。這些結果表明，SARS-CoV-2感染會使老年患者體內產生過度的促炎細胞因子，從而可能導致病情加重甚至患者的死亡。
圖2 老年患者表現出過度的炎癥反應和高死亡率
3.SARS-CoV-2感染可誘導HIF-1α和促炎細胞因子
對SARS-CoV-2誘導的免疫炎癥反應的分子機制進行研究。RNASeq數據顯示，在 COVID-19 患者的血液樣本中，氧通路和 HIF-1α 信號通路的HIF上調，表明HIF-1α可能在調節病毒感染時的免疫和炎癥反應中起著重要作用。與健康個體相比，患者的pbmc中HIF-1α和IL-1β的mRNA水平要高得多；而老年健康個體的HIF-1α的mRNA水平明顯高于年輕健康個體。同時構建了病毒感染模型來驗證SARS-CoV-2感染對HIF-1α和炎癥細胞因子的誘導作用。
圖3 HIF-1α和炎癥因子是由SARS-CoV-2感染誘導
4.ORF3a通過Mito-ROS信號通路促進HIF-1α的產生和炎癥反應
進一步探討SARS-CoV-2誘導HIF-1α表達和炎癥反應的機制。通過在細胞中轉染攜帶病毒的質粒并用氯化鈷(HIF-1α誘導劑)處理，結果發現ORF3a增強了氯化鈷處理及病毒感染的細胞中HIF-1α的mRNA的表達，且ORF3a能通過激活HIF-1α促進促炎細胞因子的產生。
先前的研究報道，線粒體來源的活性氧(Mito-ROS)是HIF-1α的強誘導劑，SARS-CoV-2誘導ROS和HIF-1α的產生。研究發現ORF3a降低了線粒體膜電位，而ORF3a促進了ROS的生成，表明ORF3a誘導線粒體損傷。因此，我們提出，在SARS-CoV-2感染時，ORF3a誘導Mito-ROS的產生，激活HIF-1α，進而增強病毒感染加重炎癥反應。
圖4 SARS-CoV-2 ORF3a促進HIF-1α的產生和炎癥反應
5.HIF-1α促進SARS-CoV-2感染和炎癥反應
考慮到HIF-1α在生物過程中的重要作用，推測HIF-1α可能在調節SARS-CoV-2復制和免疫炎癥反應中發揮重要作用。結果證實，HIF-1α在調控SARS-CoV-2復制中發揮了積極作用，HIF-1α的誘導促進炎性細胞因子，而抑制 HIF-1α會抑制炎性細胞因子。
圖5 HIF-1α促進SARS-CoV-2感染和炎癥反應
6.HIF-1α在促進病毒感染中發揮著廣泛的作用
由于HIF-1α促進SARS-CoV-2復制，并在多種病毒感染時被誘導，因此研究了HIF-1α對其他病毒感染的影響。結果表明，抑制HIF-1α可抑制VSV和HSV-1的感染和炎癥細胞因子的產生。
圖6 HIF-1α在促進病毒感染方面發揮著廣泛的作用
文章小結
嚴重急性呼吸系統綜合征冠狀病毒2(SARS-CoV-2)誘導的細胞因子風暴是2019冠狀病毒病(COVID-19)的主要病理特征，也是COVID-19預后的關鍵決定因素。了解SARS-CoV-2誘導的細胞因子風暴的機制對COVID-19的控制至關重要。本研究的RNA測序結果顯示，COVID-19患者的HIF-1α信號通路、免疫應答和代謝通路發生失調。臨床分析表明，老年患者出現HIF-1α的產生、炎癥反應和高死亡率。HIF-1α和促炎細胞因子在患者和感染細胞中被誘導。有趣的是，SARS-CoV-2的ORF3a誘導線粒體損傷和Mito-ROS的產生，促進HIF-1α的表達，進而促進SARS-CoV-2感染和細胞因子的產生，進而加重病毒感染和炎癥反應。并且HIF-1α也廣泛促進其他病毒的感染。因此，HIF-1α是SARS-CoV-2感染和炎癥反應的關鍵激活因子，也是病毒誘導的炎癥性疾病和COVID-19的潛在治療靶點。
本研究的數據分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
原文索引
Tian, M., Liu, W., Li, X. et al. HIF-1α promotes SARS-CoV-2 infection and aggravates inflammatory responses to COVID-19. Sig Transduct Target Ther 6, 308 (2021).
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