研究人員針對蝙蝠的兩萬多個基因組進行系統全面的篩查，確定了數十個病毒複製所依賴的關鍵蝙蝠基因，並發現了一個共同的新的宿主基因 MTHFD1。
結果證明，MTHFD1 確定為一種重要的病毒宿主因子，可能為開發廣譜抗病毒藥物開啟新的機遇之門。
另外，MTHFD1 的抑制劑 carolacton 也被證明對一系列流行性病毒，包括新型冠狀病毒有抑制作用。研究團隊後續將在動物感染模型上進一步對 carolacton 及其衍生物的抗病毒功能進行臨床前測試，希望能將其作為一種廣譜抗病毒藥物早日推向臨床。
撰文 | 徐丹
編輯 | 四月
北京時間 3 月 31 日機器之心訊息，清華大學結構生物學高精尖創新中心、杜克-新加坡國立大學醫學院、中國疾控中心、中科院動物研究所、美國杜克大學的研究團隊聯合在論文預印本網站 BioRxiv 線上發表了一項最新研究，通過對蝙蝠對基因組分析，發現宿主蛋白 MTHFD1 的抑制劑 carolacton 可有效抑制新冠病毒複製。
該項研究釋出於論文預印本網站 BioRxiv，題為《Orthogonal genome-wide screenings in bat cells identify MTHFD1 as a target of broad antiviral therapy」》，詳述了抑制劑 carolacton 對發現過程和作用，該研究尚未經同行評議。
論文提到，蝙蝠是多種流行性病毒，如 SARS、埃博拉和病毒和近期持續性爆發的新型冠狀病毒的天然宿主，但病毒自身卻可以抵禦這些病毒。
研究團隊從蝙蝠基因組分析入手，使用了 RNAi 和 CRISPR 基因組學方法，系統地尋找病毒生命週期依賴的宿主因子，通過理解病毒-宿主因子的相互作用的分子機制來尋找新的抗病毒藥物靶點。最後發現 c -1-四氫葉酸合酶基因 MTHFD1 在蝙蝠細胞和人類細胞中的病毒複製具有普遍依賴性。MTHFD1 抑制劑 carolacton 可有效阻斷包括 SARS-CoV-2 在內的幾種 RNA 病毒的複製。
carolacton 是一種天然產物，被作為抗生素候選分子，用於抑制細菌的菌膜生成。
他們認為，該研究成果不僅能助力新冠病毒藥物研發，有力抗擊疫情，更為人類未來抗擊突發病毒流行打下基礎。
清華大學結構生物學高精尖創新中心譚旭研究員和杜克-新加坡國立大學醫學院王林發教授為論文的共同通訊作者。清華大學藥學院博士生崔進、博士後葉倩、杜克-新加坡國立大學醫學院 Danielle Anderson、中國疾控中心黃保英博士為論文的並列第一作者。該研究還得到了中國疾控中心譚文傑研究員、中科院動物所周旭明研究員、美國 Duke 大學的 So Young Kim 教授的幫助。
此外，譚旭實驗室的這項工作由清華大學疫情防控科技攻關應急專項課題，北京市結構生物學高精尖創新中心、清華-北大生命科學聯合中心和國家自然基金委優秀青年基金聯合資助。
一 尋找蝙蝠中的病毒宿主
蝙蝠是一種具有獨特行為和生理特徵的有趣動物，它是唯一能飛行的哺乳動物，也是 SARS、埃博拉病毒等多種流行性疾病對天然宿主，但是這些病毒對蝙蝠自身毫無殺傷力。
人類對蝙蝠如何忍受這些病毒一直有極大對興趣，據澎湃新聞報導，病毒專家證明，蝙蝠體內總是保持了一定量的干擾素表達。干擾素是一個很關鍵的抗病毒蛋白，如果它在身體中總是保持「低量」，就相當於動物本身具有「全天候保護」的防禦機制。而研究蝙蝠攜帶病毒而不患病這一獨特之處，有望讓人類從中學習如何對抗病毒。
目前已經有一些研究基於基因組測序研究揭示了這種病毒感染耐受性背後的一些基因適應，但是要找到病毒感染蝙蝠細胞所需要的宿主因子還需要用基因組學方法對蝙蝠細胞進行全面排查。
宿主因子在對抗病毒對過程中非常重要。一般來說，由於多種病毒在細胞內複製需要很多共同的宿主蛋白才能完成複製週期，所以只有針對病毒複製依賴的宿主蛋白的新型抗病毒藥物可能具有廣譜性和不易產生耐藥性的優點。
而傳統的抗病毒藥物以病毒蛋白作為靶點，它們在應對不斷出現的多種不同類別的病毒時很難發揮作用，而且病毒也很容易通過突變自身基因而產生耐藥性。
二 兩條篩選路徑，篩選兩萬多個基因
要系統的尋找蝙蝠中病毒生命週期依賴的宿主因子，就需要用先進對基因組工具對基因進行全面排查。研究人員建立了兩個用於蝙蝠全基因組功能缺失篩選的資料庫 CRISPR 和 RNAi，對兩萬多個蝙蝠基因進行了系統全面對篩查。
CRISPR 和 RNAi 是全新的基因組學方法，這兩條途徑中的不同基因正好反映了方法的互補性，RNAi 篩選有助於觀察病毒感染的急性效應，而 CRISPR 篩選則有助於觀察細胞存活的長期效應。
二者結合可以使全基因組篩選各種細胞型別的基因功能, 可以產生前所未有的豐富資訊揭示宿主因素的複雜性，確定各種病毒的生物過程的優點和缺點, 從而理解病毒-宿主因子的相互作用的分子機制。
首先是在黑妖狐蝠腎上皮細胞（PaKi 細胞）中對 A 型流感病毒進行了 CRISPR 篩選，以識別病毒宿主因子。研究人員首先以高感染性物質殺死不成熟的 paki 細胞，然後收集存貨細胞，並將 sgRNA 丰度與模擬感染細胞進行比較。最後用用 RIGER 演算法計算結果，並確定了病毒感染或致病所需的 21 個宿主因子。
與此同時，杜克-新加坡國立大學醫學院的王林發課題組在 PaKi 細胞中進行了 RNAi 篩選，以識別腮腺炎病毒 (一種副粘病毒) 感染的宿主因子。
通過對兩個課題組的篩選結果進行比較，研究團隊發現其中都包括細胞內吞作用和蛋白分泌通路的重要基因，表明蝙蝠和人類細胞在宿主病毒感染的關鍵基因和途徑上是相同的。
三 發現病毒宿主 MTHFD1，廣譜抗病毒藥物迎來新的機遇之門
這兩種篩查都將 MTHFD1 確定為一種重要的病毒宿主因子。MTHFD1 是 C1 代謝的關鍵酶，負責產生嘌呤、dTMP 和甲基。
研究發現，在敲除 MTHFD1 後，人類細胞中的流感病毒、腮腺炎病毒在 PaKi 細胞中的複製和一種名為「Melaka 病毒」(PRV3M) 的鳥翼類原腸病毒 (pteropine orthorevirus) 均得到了抑制。
重要的是，宿主細胞對 MTHFD1 抑制的耐受性高於病毒，這可能為用抗病毒藥物靶向 MTHFD1 提供了治療視窗。
病毒感染將整個細胞機器轉換成工廠，大規模生產子代病毒，這就解釋了對 MTHFD1 的重要依賴。這類似於癌細胞對非致癌性藥物的依賴，這些病毒對代謝性致癌性基因功能的依賴，如許多代謝酶，如 MTHFD1，可能為開發廣譜抗病毒藥物開啟新的機遇之門。
有趣的是，以前所有使用人類細胞的 RNAi 和 CRISPR 篩選都沒有發現 MTHFD1 是一個宿主因子。這可能與蝙蝠和人類啟動子區域的差異有關，蝙蝠細胞和組織中 MTHFD1 的表達水平低於人類。
四 抑制劑carolacton對新冠病毒有抑制作用
研究進一步發現，MTHFD1 的抑制劑 carolacton 對於上述病毒的複製有非常強的抑制作用。這個現象在蝙蝠和人類細胞都很顯著。
carolacton 是一種來自細菌的天然產物，研究團隊測試了這種化合物對病毒複製的影響，發現即使很小的劑量也可以抑制寨卡病毒和腮腺炎病毒在 PaKi 細胞中的複製。
此外，測試還發現 carolacton 對新冠病毒的感染有抑制作用。抗病毒有效濃度遠遠低於細胞毒性濃度，展示出了良好的成藥性。這一發現為該化合物對潛在臨床應用提供了治療視窗。
研究團隊後續將在動物感染模型上進一步對 carolacton 及其衍生物的抗病毒功能進行臨床前測試，希望能將其作為一種廣譜抗病毒藥物早日推向臨床。MTHFD1 相關的基因對病毒的影響及其藥物靶向的研究也有望提供更多的候選藥物分子。