转录组+云平台助力HIF-1α促进冠状病毒感染的分子机制研究
文章题目：HIF-1α promotes SARS-CoV-2 infection and aggravates inflflammatory responses to COVID-19
发表期刊：Signal Transduction and Targeted Therapy
技术手段：RNA-Seq
派森诺生物与暨南大学携手合作，于2021年8月在 《Signal Transduction and Targeted Therapy》上发表了关于新冠病毒感染机制的研究成果。
研究背景
严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2 (SARS-CoV-2)引起了在全球数十亿人中流行传播的2019 年冠状病毒病 (COVID-19)。病毒引起的细胞因子风暴是导致COVID-19患者病情严重的主要原因。而年龄、性别和既往存在的共病（包括癌症、糖尿病和心血管疾病）是COVID-19患者的主要危险因素。代谢途径，特别是糖代谢，在COVID-19患者的预后中发挥着重要作用。治疗COVID-19的常见方法包括抗感染、抗炎和抗细胞因子风暴治疗，然而目前还没有治疗病毒感染的特效药。因此，我们迫切需要了解SARS-CoV-2的感染和发病机制以及宿主的免疫和炎症反应。
缺氧诱导因子1α(HIF-1α)是代谢、细胞增殖和血管生成等生理功能中起作用的关键调节因子。HIF-1α也是糖酵解和炎症反应中的重要激活因子，这意味着HIF-1α对COVID-19的发病机制存在一定的影响。了解SARS-CoV-2的发病机制，寻找潜在的抗病毒药物，非常值得关注。本研究基于RNA测序和临床样本的分析，探讨SARS-CoV-2感染及发病的分子机制，为研制病毒感染特效药奠定理论基础。
研究思路
研究结果 1. COVID-19患者的免疫和代谢通路失调 从RNA-seq数据中鉴定出的18,483个基因中，有659个基因下调，856个基因上调。对患者和健康个体之间差异基因进行GO富集分析，富集到的GO条目包括膜功能、免疫反应、内质网定位和代谢途径。同时显示了患者和健康个体pbmc之间与基因失调相关KEGG通路的改变，结果发现在SARS-CoV-2感染后，代谢、免疫和细胞因子的信号通路受到调控。特别是TNF信号、NF-κB信号、HIF-1信号、代谢和免疫通路表达上调。
同时研究了年龄和炎症反应之间的联系，发现老年组的HIF-1信号通路和免疫通路均表达上调，表明HIF-1信号通路是老年患者与炎症反应相关的关键调控因子之一。另外，在COVID-19患者的PBMCs中，有10个基因，包括缺氧诱导因子1α(HIF-1α)和6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-双磷酸酶3(PFKFB3)、两个糖酵解相关基因，以及其他与细胞增殖、免疫反应和代谢相关的基因表达上调。总的来说，SARS-CoV-2感染与COVID-19患者血液样本中的HIF-1α、免疫和代谢的途径高度相关。
图1 COVID-19患者的免疫和代谢途径失调
2.老年COVID-19患者炎症反应过度，死亡率高
对SARS-CoV-2感染后患者体内参与免疫和炎症反应的蛋白质水平进行研究。结果显示，与健康组相比，患者组中IL-6、IL-10和TNF-α蛋白水平显著改变，表明SARS-CoV-2会引起患者pbmc的炎症反应。对年轻和老年患者进行研究表明老年人更容易受到感染SARS-CoV-2。与年轻健康个体相比年轻患者分泌的IL-2、IL-6、IL-10和TNF-α蛋白水平差异不大，但老年患者与老年健康个体相比分泌蛋白水平明显升高。此外，与年龄在50岁以下的患者相比，65岁以上患者的死亡病例数要高得多。这些结果表明，SARS-CoV-2感染会使老年患者体内产生过度的促炎细胞因子，从而可能导致病情加重甚至患者的死亡。
图2老年患者表现出过度的炎症反应和高死亡率
3.SARS-CoV-2感染可诱导HIF-1α和促炎细胞因子
对SARS-CoV-2诱导的免疫炎症反应的分子机制进行研究。RNASeq数据显示，在 COVID-19 患者的血液样本中，氧通路和 HIF-1α 信号通路的HIF上调，表明HIF-1α可能在调节病毒感染时的免疫和炎症反应中起着重要作用。与健康个体相比，患者的pbmc中HIF-1α和IL-1β的mRNA水平要高得多；而老年健康个体的HIF-1α的mRNA水平明显高于年轻健康个体。同时构建了病毒感染模型来验证SARS-CoV-2感染对HIF-1α和炎症细胞因子的诱导作用。
图3 HIF-1α和炎症因子是由SARS-CoV-2感染诱导
4.ORF3a通过Mito-ROS信号通路促进HIF-1α的产生和炎症反应
进一步探讨SARS-CoV-2诱导HIF-1α表达和炎症反应的机制。通过在细胞中转染携带病毒的质粒并用氯化钴(HIF-1α诱导剂)处理，结果发现ORF3a增强了氯化钴处理及病毒感染的细胞中HIF-1α的mRNA的表达，且ORF3a能通过激活HIF-1α促进促炎细胞因子的产生。
先前的研究报道，线粒体来源的活性氧(Mito-ROS)是HIF-1α的强诱导剂，SARS-CoV-2诱导ROS和HIF-1α的产生。研究发现ORF3a降低了线粒体膜电位，而ORF3a促进了ROS的生成，表明ORF3a诱导线粒体损伤。因此，我们提出，在SARS-CoV-2感染时，ORF3a诱导Mito-ROS的产生，激活HIF-1α，进而增强病毒感染加重炎症反应。
图4 SARS-CoV-2 ORF3a促进HIF-1α的产生和炎症反应
5.HIF-1α促进SARS-CoV-2感染和炎症反应
考虑到HIF-1α在生物过程中的重要作用，推测HIF-1α可能在调节SARS-CoV-2复制和免疫炎症反应中发挥重要作用。结果证实，HIF-1α在调控SARS-CoV-2复制中发挥了积极作用，HIF-1α的诱导促进炎性细胞因子，而抑制 HIF-1α会抑制炎性细胞因子。
图5 HIF-1α促进SARS-CoV-2感染和炎症反应
6.HIF-1α在促进病毒感染中发挥着广泛的作用
由于HIF-1α促进SARS-CoV-2复制，并在多种病毒感染时被诱导，因此研究了HIF-1α对其他病毒感染的影响。结果表明，抑制HIF-1α可抑制VSV和HSV-1的感染和炎症细胞因子的产生。
图6 HIF-1α在促进病毒感染方面发挥着广泛的作用
文章小结 严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)诱导的细胞因子风暴是2019冠状病毒病(COVID-19)的主要病理特征，也是COVID-19预后的关键决定因素。了解SARS-CoV-2诱导的细胞因子风暴的机制对COVID-19的控制至关重要。本研究的RNA测序结果显示，COVID-19患者的HIF-1α信号通路、免疫应答和代谢通路发生失调。临床分析表明，老年患者出现HIF-1α的产生、炎症反应和高死亡率。HIF-1α和促炎细胞因子在患者和感染细胞中被诱导。有趣的是，SARS-CoV-2的ORF3a诱导线粒体损伤和Mito-ROS的产生，促进HIF-1α的表达，进而促进SARS-CoV-2感染和细胞因子的产生，进而加重病毒感染和炎症反应。并且HIF-1α也广泛促进其他病毒的感染。因此，HIF-1α是SARS-CoV-2感染和炎症反应的关键激活因子，也是病毒诱导的炎症性疾病和COVID-19的潜在治疗靶点。 本研究的数据分析工作由上海派森诺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 Ther6,308 (2021).
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