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換你上場了-冠狀病毒上場,絲狀病毒悄悄退場?

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:

  1.     S. Mulangu et al., A Randomized, Controlled Trial of Ebola Virus Disease Therapeutics. N Engl J Med 381, 2293-2303 (2019).
  2.     J. E. Carette et al., Ebola virus entry requires the cholesterol transporter Niemann-Pick C1. Nature 477, 340-343 (2011).
  3.     M. Cote et al., Small molecule inhibitors reveal Niemann-Pick C1 is essential for Ebola virus infection. Nature 477, 344-348 (2011).
  4.     E. H. Miller et al., Ebola virus entry requires the host-programmed recognition of an intracellular receptor. EMBO J 31, 1947-1960 (2012).
  5.     H. Wang et al., Ebola Viral Glycoprotein Bound to Its Endosomal Receptor Niemann-Pick C1. Cell 164, 258-268 (2016).
  6.     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

About the author

洪 維謙

洪 維謙

國立陽明大學腦科學研究所,過去在中央研究院研究遺傳緩衝效應。對於政治、社科、經濟等領域也稍有涉略,希望藉由investigator提升科學在台灣社會的能見度。

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