近日，武漢大學病毒學國家重點實驗室陳宇教授研究組在國際學術期刊Journal of Cell Biology線上發表了題為“SARS-CoV-2 specific adaptations in N Protein inhibit NF-κB activation and alter pathogenesis”的研究論文。該研究強調除了冠狀病毒刺突蛋白的變異外，其他關鍵位點的變異同樣可能對病毒的致病性產生重要影響，從而改變其傳播和感染能力。因此，全面監測和評估這些突變，對於疾病的預防和控制至關重要。
目前已知可感染人類的冠狀病毒在流行病學特性上存在顯著差異。其中，SARS-CoV和SARS-CoV-2這兩種β屬冠狀病毒的比較尤為典型。與SARS-CoV相比，SARS-CoV-2具有更強的傳染性、更長的潛伏期，並且能夠透過無症狀感染者傳播。COVID-19和SARS的臨床表現與病毒感染誘發的免疫反應密切相關。儘管兩種病毒均能抑制I型干擾素應答並激活炎症反應，但SARS-CoV在炎症反應的啟用方面更為顯著。此前，該研究團隊發現，由於nsp16蛋白中第36、第138和第153位氨基酸的改變，SARS-CoV-2相較於SARS-CoV具有更強的2-O-甲基轉移酶活性。這種增強的活效能夠阻止宿主胞漿RNA感應器MDA5和LGP2的識別，從而抑制I型干擾素和促炎細胞因子的表達（Deng et al., Signal Transduct Target Ther, 2024）。在此基礎上，團隊進一步揭示了SARS-CoV-2和SARS-CoV的N蛋白關鍵位點的變異如何影響病毒的致病性和傳播能力。
該研究基於研究組前期建立的SARS-CoV-2複製子遞送顆粒感染模型（Li et al., Virol Sin, 2024），即反向遺傳學生成缺失SARS-CoV-2 N基因的複製子遞送顆粒（SARS-CoV-2 ΔN-GFP-HiBiT replicon delivery particles，RDPs）感染穩定表達SARS-CoV-2 N和SARS-CoV N蛋白的Caco-2-N*細胞系，系統分析了SARS-CoV-2 N蛋白與SARS-CoV N蛋白對宿主炎症反應的影響。結果表明，相較於SARS-CoV N蛋白，SARS-CoV-2 N蛋白引發的病毒感染過程中宿主細胞的炎症反應較弱（圖1）。
圖1. SARS-CoV與SARS-CoV-2 N蛋白調控病毒感染期間細胞炎症的差異
進一步分析發現，SARS-CoV-2 N蛋白透過阻止TAK1-TAB2/3複合物的組裝，從而抑制NF-κB通路的啟用及其下游訊號傳導。分子機制研究表明，SARS-CoV-2 N蛋白透過其CTD區域抑制NF-κB通路的啟用。與SARS-CoV-2 N蛋白的抑制功能不同，SARS-CoV N蛋白不影響TAK1-TAB2/3複合物的組裝，且其N蛋白的CTD區域對NF-κB啟用無顯著影響。透過比較SARS-CoV-2和SARS-CoV N蛋白CTD區域的氨基酸序列，研究人員發現兩者之間存在5個氨基酸的差異。基於此，研究團隊構建了SARS-CoV-2 N蛋白5個氨基酸位點的點突變，進一步探索發現E290和Q349是SARS-CoV-2 N蛋白髮揮抗炎功能的關鍵位點（圖2）。
圖2. SARS-CoV-2 N蛋白CTD區域的E290和Q349是抑制NF-κB啟用的關鍵位點
研究人員進一步構建了穩定表達SARS-CoV N(WT)、SARS-CoV-2 N(WT)、SARS-CoV-2 N(E290D) 和SARS-CoV-2 N(Q349N)的K18-hACE2 KI小鼠，並建立了RDPs感染模型。結果顯示，相較於SARS-CoV，表達SARS-CoV-2野生型N蛋白的小鼠在感染RDPs後，肺部組織炎症較輕。然而，表達突變體SARS-CoV-2 N(E290D)和SARS-CoV-2 N(Q349N)的小鼠在感染RDPs後，肺部組織TNF-α、IL-6等炎症因子的表達水平顯著升高，產生與表達SARS-CoV N蛋白的小鼠類似的組織損傷（圖3）。小鼠模型進一步證明了SARS-CoV-2 N蛋白的E290、Q349氨基酸位點改變是導致感染SARS-CoV-2後炎症反應嚴重程度與SARS-CoV不同的關鍵因素。
圖3. 相較SARS-CoV N蛋白，SARS-CoV-2 N蛋白減輕病毒感染期間小鼠肺部炎症
對SARS-CoV-2野生型、SARS-CoV野生型及Omicron變體（如BA.1、BF.7、BQ.1、XBB.1等）N蛋白的同源性分析顯示，SARS-CoV-2野生型與Omicron變體的CTD區域高度保守，無氨基酸替換或插入。而SARS-CoV-2對比SARS-CoV的N蛋白CTD區域存在5個氨基酸位點突變，反映了兩種病毒在適應不同宿主和環境中的進化差異。SARS-CoV-2關鍵位點E290和Q349可能透過抑制炎症和降低致病性，促進了病毒的長期存活並持續傳播。該研究鑑定了SARS-CoV-2 N蛋白中抑制NF-κB啟用的關鍵氨基酸位點，揭示了其在病毒致病性和傳播中的關鍵作用，同時為β冠狀病毒進化機制的研究提供了重要新線索（圖4）。
圖4. SARS-CoV-2 N蛋白兩個殘基的改變觸發NF-κB抑制機制
武漢大學病毒學國家重點實驗室陳宇教授、周立副教授和徐可教授為該論文的通訊作者，博士研究生郭笑、楊世敏，以及蔡曾博士共同擔任第一作者。武漢大學病毒學國家重點實驗室主任藍柯教授，以及郭銘老師和王欣老師為本研究提供了大力支援。本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金及中央高校基本科研業務費專項資金等專案的資助。
來源： 病毒學國家重點實驗室
編輯：吃一口小貓
