西湖大学,复旦大学 Cell Res 发现 AXL 是新冠病毒感染人类呼吸系统的潜在受体

来源: 生物360 / 作者: 2021-01-18
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2020 年,新型冠状病毒疫情蔓延全球,构成了对人类社会的挑战。深入理解新冠病毒感染、复制及免疫逃逸的机制,对于抗击新冠疫情意义重大。

新型冠状病毒(SARS-CoV-2)通过上呼吸道感染人体后,病毒会沿着呼吸道逐渐向下蔓延,进而引发严重的肺部炎症。病毒复制和传播的核心主要依靠病毒表面刺突蛋白与宿主细胞表面受体相互作用。新冠病毒入侵人体的主要受体同非典病毒一致,是 ACE2。但在单细胞测序结果中,ACE2 在呼吸系统中表达较低,难以解释新冠病毒为何主要感染人体的呼吸系统。因此,找出新冠病毒在人类呼吸系统中的细胞受体,并针对性的设计靶向药物,对新冠病毒的防治具有重要意义。

北京时间 1 月 8 日,西湖大学李旭课题组、黄晶课题组与复旦大学陆路课题组合作,在 Cell Research 杂志上以长文形式联合发表了题为 AXL is a Candidate Receptor for SARS-CoV-2 that Promotes Infection of Pulmonary and Bronchial Epithelial Cells 的研究论文 1。

该研究发现,AXL 蛋白是新冠病毒感染人类呼吸系统的潜在受体。这也是目前发现的首个不依赖于 ACE2 的新冠病毒新受体。

西湖大学特聘研究员李旭、黄晶以及复旦大学研究员陆路为本论文的通讯作者,西湖大学王帅、邱宗仰、候盈男、邓希雅,复旦大学徐巍为本论文的共同第一作者。西湖大学周强、中科院武汉病毒所单超、浙江大学林爱福、孙泽玮、复旦大学姜世勃、谢幼华等课题组及复旦大学生物安全防护三级实验室瞿涤、蔡霞等科研人员也为本项研究提供了重要支持。本项目得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、及西湖教育基金会的资助。

猜测:新冠病毒在人类呼吸系统中还有其他重要受体

通过分析大规模人类单细胞测序的数据,研究团队发现 ACE2 主要在人类的肾脏及消化系统表达,但仅在约千分之一的肺细胞和千分之二的气管细胞中表达。如此低的 ACE2 表达量难以支持新冠病毒在人群的高传染性,因此研究团队猜测新冠病毒在人类呼吸系统中可能存在其他重要受体。

通过对一些常用细胞系进行携带新冠病毒刺突蛋白的假病毒感染实验发现,肺上皮细胞系 H1299 和支气管上皮细胞系 BEAS-2B 可以被感染,因此研究团队将这两个细胞系用于后续的新冠病毒受体筛选。

结合了蛋白质组学、生物信息学及计算生物学方法,研究团队通过构建病毒刺突蛋白的稳转细胞株、亲和纯化、质谱鉴定,并利用实验室自主开发的基于闵可夫斯基高维距离的 MUSE 算法,筛选出 22 个候选受体。通过分子动力学模拟及分子力学 / 泊松 - 玻尔兹曼表面积计算,对这些候选受体与新冠病毒刺突蛋白形成的复合物进行了一系列模拟计算,并最终筛选出结合强度排名前三的候选受体:AXL、EGFR 和 LDLR。

证实:新冠病毒可利用宿主的 AXL 蛋白入侵呼吸系统

通过一系列生化及细胞实验,研究团队证明肺细胞上的 AXL 蛋白与新冠病毒刺突蛋白相结合,并在细胞膜上存在强共定位。有趣的是,AXL 并不结合刺突蛋白用于结合 ACE2 的 RBD 区域,而是结合刺突蛋白 N 端的 NTD 区域,这与西湖大学周强及合作团队之前在新冠病人中发现的拮抗刺突蛋白 N 端的抗体相印证 2。同时,分析发现 AXL 在包括肺 I/II 型上皮细胞、基底细胞、成纤维细胞、内皮细胞、平滑肌细胞及髓系细胞的几乎所有类型的呼吸系统细胞中皆有较高表达。

AXL 是一种受体酪氨酸激酶,定位在细胞膜上,(它的名称来源于希腊语的 “失控”,最早发现于慢性粒细胞白血病的病人中,可能参与癌症的发生,)是人体内一种负责介导 PI3K 等信号通路的细胞外信号向胞内的转导的蛋白,广泛参与调节细胞的生存、增殖、迁移与分化。

新冠病毒刺突蛋白假病毒感染实验发现,在 HEK293T 中过表达 AXL 可以显著增强病毒的感染。随后,研究团队通过假病毒吸附、内化、细胞内吞囊泡运输标记物共定位等实验,进一步明确了 AXL 通过特异性结合新冠病毒刺突蛋白,介导病毒在呼吸系统细胞上的吸附与内化。因此,AXL 可能是新冠病毒在肺细胞上的潜在受体。

研究团队随后发现,AXL 的敲除可以显著减少假病毒对于 H1299 细胞的感染。为了排除 AXL 帮助 ACE2 介导病毒感染的可能性,研究团队构建了 ACE2 或 / 和 AXL 敲除的 H1299 细胞系,并发现敲除 ACE2 对于病毒感染 H1299 细胞并无影响,而敲除 AXL 显著降低了假病毒的感染。在细胞培养基中加入合成的可溶性的 AXL 重组蛋白可以有效抑制病毒感染 H1299 细胞。同时,研究团队发现 ACE2 和 AXL 之间并不存在相互交叉的抑制感染功能,提示 AXL 可能是不依赖于 ACE2 的新冠病毒新受体。

展望:基于 AXL 设计的药物或可用于新冠肺炎的干预

在明确了 AXL 可以以受体形式结合新冠病毒刺突蛋白介导假病毒进入后,研究团队在生物安全防护三级实验室中进行了新冠病毒的真病毒感染实验。实验结果表明 AXL 可以不依赖于 ACE2 独立介导新冠真病毒的感染。将 293T 细胞中的 ACE2 及 AXL 蛋白双敲除后,单独过表达 AXL 就可以促进病毒感染,而 AXL 重组蛋白或是新冠病毒刺突蛋白 NTD 重组蛋白的加入可以抑制 AXL 介导的病毒感染,证实了 AXL 介导的的新冠病毒感染不依赖于 ACE2。研究团队进一步在肺上皮细胞系 H1299 和正常肺上皮细胞形成的肺上皮类器官中敲除了 AXL,发现新冠病毒感染被显著抑制。加入可溶的 AXL 重组蛋白或是新冠病毒刺突蛋白 NTD 重组蛋白,也可以大大抑制病毒感染。最后,研究团队证实在新冠病人中,AXL 的表达与病毒载量和病程发展高度相关。

在这项研究中,研究团队通过集成蛋白质组学及生物信息学、计算生物学技术,构建了新冠病毒刺突蛋白在人类肺上皮细胞中的蛋白互作网络,并鉴定出 AXL 蛋白为肺及气管上皮细胞中的潜在受体。后续研究发现,过表达 AXL 可以有效地促进新冠病毒入侵,而在人类肺上皮细胞中敲除 AXL 则显著降低了新冠病毒感染。同时,来自新冠患者的临床数据也表明 AXL 表达水平与重症感染高度相关。使用可溶性的 AXL 蛋白可以有效拮抗新冠病毒对于肺部细胞的感染,提示了靶向或基于 AXL 设计的药物可能用于未来对新冠病毒感染的临床干预。值得注意的是,近期在英国、南非等地发现的可以逃逸抗体或疫苗的新型变种病毒在刺突蛋白上的 AXL 结合区域附近发生了密集突变 3,突变病毒是否可以更有效的利用 AXL 入侵人类呼吸系统有待进一步研究。

https://www.nature.com/articles/s41422-020-00460-y

参考文献

1. Wang, S. et al.AXL is a Candidate Receptor for SARS-CoV-2 that Promotes Infection of Pulmonary and Bronchial Epithelial Cells. Cell Research(2020).

2. Chi, X.et al.A neutralizing human antibody binds to the N-terminal domain of the Spike protein of SARS-CoV-2. Science(2020).

3. McCarthy, K. et al.Natural deletions in the SARS-CoV-2 spike glycoprotein drive antibody escape.bioRxiv(2020).

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