2020 年 1 月 30 日，世界衛生組織 (WHO) 宣布將 COVID-19 疫情列為國際公共衛生緊急事件 (public health emergencies of international concern, PHEIC)，是 WHO 通過《國際衛生條例》 (International Health Regulations, IHR) 以來，第六次宣布 PHEIC，第五次 PHEIC 是 2019 年 7 月剛果的伊波拉病毒 (Ebola virus) 疫情，也是 Ebola 第二次成為國際公共衛生議題的主角。這波疫情在 2020 年 2 月 17 日暫時停止，截至 3 月 6 日連續 18 天無新確診紀錄，但總體致死率仍然極高 (約 40-50%) 。在這波疫情中進行了多種藥物試驗 [1]，其中一種治療方式是抑制病毒進入人體細胞，當中擔當必要角色的 Niemann–Pick C1 (NPC1) 是如何被發現的呢？
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從歷史的觀點來看，瞭解 Ebola 與宿主的交互作用機制一直是個難題，目前僅能以片段拼湊其生命週期，病毒的生命週期第一步是與宿主的細胞表面結合。絲狀病毒表面的醣蛋白 (Glycoprotein, GP) 與宿主細胞表面結合後，經由大胞飲體作用 (macropinocytosis) 被內化 (internalized) 後與晚期內體 (late endosome) 的限制性膜融合，進而滲透到細胞質中複製並轉錄，最終合成新的病毒蛋白，新的病毒體聚集於細胞表面並萌芽 (Figure 1)。病毒顆粒滲透到細胞質的階段是感染細胞的關鍵步驟，GP 在內體中通過組織蛋白酶水解後，使其與細胞受體膽固醇轉運蛋白 NPC1 相互作用，與內體膜融合，並將病毒核醣核蛋白複合物 (ribonucleoprotein, RNP) 釋放到細胞質中開始進行初級轉錄。其次是二次轉錄和病毒基因組複製，後者發生在包涵體 (inclusion bodies) 中。
Figure 1. 伊波拉病毒進入細胞的示意圖。
圖片說明：(1) 與附著因子相互作用後，(2) 病毒粒子被大胞飲作用內化。在膜結合的囊泡內部，(3) GP被半胱氨酸蛋白酶裂解以活化其融合潛力。接著，(4) 裂開的GP就能與特定的NPC1病毒受體相互作用。(5) 除了 TPC2 鈣通道的活性以外，此類事件還有助於 (6) 觸發病毒包膜與內體/溶酶體膜之間的融合，導致病毒基因組釋放，(7) 然後轉錄和複製。 圖片來源：Doi: 10.3390/v11030274
其中最關鍵的膽固醇轉運蛋白 NPC1 的參與被發現於2011年 [2-4]，第一組團隊利用人類基因組單倍體 (haploid) 基因篩選的方法鑑定出 Ebola 進入細胞需要 NPC1 (Figure 2)，在鑑定出的基因中，所有編碼具有已知功能蛋白質的基因均與晚期內體或溶酶體 (lysosome) 的成熟或功能有關。命中次數最多的基因編碼為 NPC1，是一種常見的跨膜蛋白，主要存在於晚期內體和溶酶體的限制膜中，作用是幫助膽固醇從晚期內體中流出，重新分配至細胞膜，包括內質網和質膜。因此，當細胞中缺乏 NPC1 時，膽固醇會在晚期內體-溶酶體中累積。
Figure 2.
圖片說明：2011年，Jan E. Carette 等人針對 CTSB，HOPS 複合體和 NPC1 在伊波拉病毒進入過程中的作用，提出的假設模型。
圖片來源： Doi: 10.1038/nature10348
第二組團隊篩選了化合物資料庫 [3] 並找出可以抑制帶有 Ebola GP 假病毒顆粒感染的化合物。 他們發現抑制性化合物 3.0 及其衍生物化合物 3.47 會誘導內體中的膽固醇累積 (Figure 3)，為 C 型 Niemann-Pick 疾病 (NPC; 由 NPC1 或 NPC2 的基因突變所引起) 的標誌。 在後續實驗中，他們測試了五種參與膽固醇體內穩態的蛋白質，NPC1 是唯一出現為 Ebola 進入所必需的蛋白質。他們更進一步指出，NPC1 的參與會活化 GP 的融合活性。隔年，第一組研究團隊利用小分子化合物 U18666A [4]，成功阻擋 Ebola 進入及感染細胞 ，並指出 NPC1 可以作為藥物靶點，在病毒進入細胞前就將其阻擋在外。
Figure 3.
圖片說明：2011 年，Marceline Côté 等人提出的伊波拉進入模型，裂解的 GP1 與 NPC1 的結合是感染所必需的，並能被伊波拉病毒抑製劑 3.47 抑制。
圖片來源：Doi: 10.1038/nature10380
前述三篇研究都指出 NPC1 對於 Ebola 進入並感染細胞的重要性，另外有兩組團隊更在 2016 年以冷凍電子顯微鏡 (Cryo EM) 解出 Ebola GP與 NCP1 在結合時的分子機制 [5, 6] ，這一些分子機制的研究使得科學家們未來能夠更有效的設計以 NPC1 為標靶的藥物，以預防與治療絲狀病毒感染。
圖片來源：National Institute of Health
圖片說明：穿透式電子顯微鏡下的伊波拉病毒顆粒（綠色）
參考文獻：
- S. Mulangu et al., A Randomized, Controlled Trial of Ebola Virus Disease Therapeutics. N Engl J Med 381, 2293-2303 (2019).
- J. E. Carette et al., Ebola virus entry requires the cholesterol transporter Niemann-Pick C1. Nature 477, 340-343 (2011).
- M. Cote et al., Small molecule inhibitors reveal Niemann-Pick C1 is essential for Ebola virus infection. Nature 477, 344-348 (2011).
- E. H. Miller et al., Ebola virus entry requires the host-programmed recognition of an intracellular receptor. EMBO J 31, 1947-1960 (2012).
- H. Wang et al., Ebola Viral Glycoprotein Bound to Its Endosomal Receptor Niemann-Pick C1. Cell 164, 258-268 (2016).
- X. Gong et al., Structural Insights into the Niemann-Pick C1 (NPC1)-Mediated Cholesterol Transfer and Ebola Infection. Cell 165, 1467-1478 (2016).撰文｜洪維謙
審稿｜鄭藹華
