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                  Viruses丨脂質組學揭示脂質代謝重塑對人冠狀病毒復制的影響

                  發布日期:2020.04.07


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                  新春以來,全國處于戰“疫”狀態,共同對抗新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)這一惡魔。小編今天給您分享一篇國家衛健委高級別專家組成員、中國工程院院士、香港大學袁國勇教授團隊于2019年發表于《Viruses》雜志的冠狀病毒脂質組學研究論文,或許能為各位醫學科研工作者提供一些研究思路。

                  冠狀病毒是含一條大的單鏈正義RNA基因組的包膜病毒。加上最新爆發的新型冠狀病毒,目前已知共有七種感染人類的冠狀病毒。



                  人類冠狀病毒和脂質組學


                  冠狀病毒種類
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                  • 人類冠狀病毒OC43(HCoV-OC43)

                  • 人類冠狀病毒229E(HCoV-229E)

                  • 嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)

                  • 人類冠狀病毒HKU1(HCoV-HKU1)

                  • 人類冠狀病毒NL63(HCoV-NL63)

                  • 中東呼吸綜合征冠狀病毒(MERS-CoV)

                  • 新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)

                  這些致病性人類冠狀病毒導致廣泛的臨床癥狀。HCoV-OC43、HCoV-229E、HCoV-HKU1和HCoV-NL63引起輕微的自限性上呼吸道感染。相反,SARS冠狀病毒和2018年出現的MERS冠狀病毒在免疫活性和免疫功能低下的宿主中引起嚴重肺炎并伴有急性呼吸窘迫綜合征、多器官衰竭和死亡。
                  脂類在病毒的復制過程中起著許多不可或缺的細胞功能,并參與病毒復制的多個環節。在此篇文獻中,作者以人冠狀病毒229E(HCoV-229E)為模型冠狀病毒,基于超高效液相色譜-質譜(UHPLC-MS)的脂質組學方法,建立了一個以質譜為基礎的類脂組學方法來研究冠狀病毒感染后宿主細胞脂質的變化。
                  脂質組學是對生物體系中的所有脂質進行系統分析的一門新興學科,是一門通過比較不同生理狀態下脂代謝網絡的變化,進而識別代謝調控中關鍵的脂類生物標志物,最終揭示脂質在各種生命活動中的作用機制的學科。


                  應用案例
                  脂質組學揭示脂質代謝重塑對
                  人冠狀病毒復制的影響

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                  01 
                  研究思路


                  作者團隊通過基于高分辨質譜的脂質組學研究分析,在數據處理中采用單變量和多變量統計分析,篩選到24種差異脂質。隨后對冠狀病毒感染后宿主細胞的脂質變化和細胞脂質如何調節人類致病性冠狀病毒的致病性進行研究。鑒定到病毒感染特異性脂質,包括甘油磷脂和脂肪酸,它們代表了HCoV-229E感染后重新排列的脂質種類。途徑分析表明亞油酸和花生四烯酸代謝軸是最受HCoV-229E病毒感染干擾的途徑。重要的是,在冠狀病毒感染細胞中添加亞油酸和花生四烯酸可顯著抑制HCoV-229E和高毒力MERS-CoV的病毒復制,表明油酸-花生四烯酸代謝軸是調節冠狀病毒復制的一個共同而必要的途徑。研究表明,宿主脂質代謝重塑與人類致病性冠狀病毒的傳播密切相關,脂質代謝調節是冠狀病毒感染的一個常見且可藥物治療的靶點。通過脂質組學研究宿主脂質譜的時間調節來對抗新出現的人類冠狀病毒或許是一種潛在的新策略。


                  02 
                  研究策略


                  基于組學的顯著脂質組離子特征統計學分析:

                  為了研究冠狀病毒對宿主脂質代謝的影響,作者首先對HCoV-229E感染的Huh7細胞進行脂質組學分析,并與模擬感染的Huh7細胞進行比較。初步特征列表包括母離子、加合物和同位素離子,這些離子被導入到代謝分析系統和SIMCA-P軟件中進行分析。代表OPLS-DA模型X/Y變量解釋率的R2X/R2Y分別為83.0%和98.8%。經交叉驗證,預測成分為0.97(Q2)。這些OPLS-DA模型的交叉驗證參數令人滿意(圖1a)。同時,置換檢驗(100次)表明驗證模型也是令人滿意的(圖1b)??傊?,我們的結果表明這些顯著的脂質特征可以通過驗證的統計模型來選擇,以便隨后的鑒定。




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                  圖1


                  特異性脂質的篩選鑒定:

                  利用基于組學的統計分析方法,篩選到HCoV-229E特異性脂類共206個(正離子模式)和100個(負離子模式)離子特征(注:一個離子特征不代表一個脂質,而一個脂質通常有多個質譜離子特征)。這些離子特征在HCoV-229E感染細胞和模擬感染細胞之間具有顯著差異。為了更詳細地觀察區分趨勢,我們基于脂質豐度譜相似度進行層次聚類分析,以顯示所有重要離子特征的總體趨勢(圖2)。與模擬感染對照組相比,HCoV-229E感染后,負離子模式(圖2A)和正離子模式(圖2B)大部分顯著改變的離子特征均表現出上調趨勢。為了鑒定感染HCoV-229E后細胞所特有的脂質,我們使用CAMERA軟件對這些重要離子特征進行分組和注釋,并選擇母離子進行MS/MS實驗,以獲取它們的碎片離子信息。共鑒定得到24種脂質,分為溶血磷脂酰膽堿(LysoPC)、溶血磷脂酰乙醇胺(LysoPE)和脂肪酸(FA)三類。




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                  圖2


                  利用LC-MS原始數據生成這些脂質的色譜峰高,并測定感染細胞與模擬感染細胞的比例。如圖3所示,我們發現HCoV-229E感染的細胞中已鑒定脂質呈一致性上調趨勢。溶血磷脂酰膽堿(LysoPC)尤其是所有已鑒定脂質的主要類群,約占所有已鑒定脂質的60%,且顯著升高(圖3A)。屬于脂肪酸類(FAs)的花生四烯酸(AA)在所有已鑒定的脂類中表現出最高的倍數變化,最高為7.1倍(圖3B)。此外,溶血磷脂酰乙醇胺(LysoPEs)水平也被上調(圖3C),最大倍數變化為2.93,相對低于LysoPCs和FAs。



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                  圖3





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                  圖4 對照組和229E組間七種檢測鑒定的脂質峰高的箱形圖





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                  表1 24種檢測到的差異代謝物



                  HCoV-229E感染Huh7細胞的通路分析:

                  基于HCoV-229E感染后顯著上調的脂質列表,采用在線工具MetaboAnalyst研究哪些通路可能受到明顯干擾。通路分析結果如圖5所示。



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                  圖5


                  從富集分析結果來看,亞油酸代謝(Linoleic acid metabolism)途徑和脂肪酸生物合成(Fatty acid biosynthesis)途徑的raw p值具有統計學意義(raw p<0.05,如Y軸所示)。途徑影響結果表明,亞油酸代謝途徑和花生四烯酸代謝(Arachidonic acid metabolism)途徑的影響程度高于其它途徑,如X軸(Pathway Impact)值所示。結合以上兩個分析結果,推測亞油酸代謝途徑是一個與HCoV-229E感染誘導的脂質重排過程相關的明顯被擾動的途徑。

                  為了更好地了解當前途徑分析結果和HCoV-229E感染時的細胞脂質信號響應,作者基于KEGG數據庫(https://www.genome.jp/KEGG/)和文獻中的通路信息構建了一個亞油酸通路圖(圖6)。

                  當被HCoV-229E感染后,細胞cPLA2酶被激活,隨后細胞膜的主要成分甘油磷脂代謝為溶血磷脂和脂肪酸,溶血磷脂如LysoPCs和LysoPEs相應增加。此外,溶血磷脂可進一步代謝為血小板活化因子。

                  脂肪酸也從甘油磷脂中釋放,但只有亞油酸和花生四烯酸能啟動下游途徑生成相應的代謝產物。采用標準品部分確證了溶血磷脂和脂肪酸的上調。此外,為了研究脂肪酸下游途徑的變化趨勢,在LC-MS法中還采用標準品進行結構驗證,以確定這些下游脂質是否發生了相應的變化。如圖6所示,花生四烯酸(AA)是亞油酸(LA)的下游脂肪酸,是AA代謝途徑的來源物質?;ㄉ南┧嵋驳玫綐藴势夫炞C。綜合通路分析和標準品驗證,表明LA-AA代謝軸是最顯著被干擾的途徑,可能與HCoV-229E感染中的脂質重排或其它過程有關。




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                  圖6



                  03 
                  結論


                  本研究發現,HCoV-229E感染后細胞脂質譜發生了重排。24種脂類,包括溶血磷脂酰膽堿(LysoPCs)、溶血磷脂酰乙醇胺(LysoPEs)和非飽和/飽和脂肪酸一致性上調。作為脂質重要前體物的亞油酸(LA)和花生四烯酸(AA),組成LA-AA代謝軸,強烈影響HCoV-229E病毒和高致病性MERS-CoV病毒的復制。最優的冠狀病毒復制需要特定的細胞脂質組分,任何破壞都可能降低冠狀病毒的復制效率。因此,基于質譜的脂質組學策略可用于監測病毒復制的特異性脂質需求、發現干擾途徑和鑒定新的脂質,以干擾病毒復制。將脂質組學數據與生物學和免疫學數據相結合,可能有助于進一步闡明病毒感染的特定致病機制并確定新的治療策略。



                  ? 文獻出處

                  Yan BP, Chu H, YuenKY, et al.Characterization of the lipidomic profile of human Coronavirus-infected cells: implications forlipid metabolism remodeling upon Coronavirus replication.Viruses,2019:11(1), 73. 


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