丝状病毒是一类有囊膜的单链负链RNA病毒, 可引起人严重病毒性出血热。丝状病毒科(Filoviridae)包括埃博拉病毒属(Ebolavirus)、马尔堡病毒属(Marburgvirus)和奎瓦病毒属(Cuevavirus)[1]。其中, 埃博拉病毒属扎伊尔型埃博拉病毒(Ebola virus, EBOV)是引起2014~2016年西非埃博拉疫情的病毒, 造成2万余人感染, 超过1万人死亡[2], 它和马尔堡病毒属马尔堡型马尔堡病毒(Marburg virus, MARV)是恶性程度最高的丝状病毒, 死亡率高达24%~90%[3]。2015年我国科学家报道了一株分离自中国云南省Rousettus种果蝠的丝状病毒[4], 2019年1月该病毒被鉴定为丝状病毒新属种, 即滇丝病毒属(Dianlovirus genus)勐腊病毒(Mengla virus, MLAV)[5]。MLAV与其他丝状病毒均依靠病毒囊膜表面糖蛋白(glycoprotein, GP)进入宿主细胞[6], 系统遗传学分析显示, MLAV-GP与其他丝状病毒GP具有较低同源性(22%~39%), 其中与之亲缘关系最近的是MARV[5] (图 1)。有研究显示, 重组MLAV可感染多种属动物细胞, 具有蝙蝠-人跨种传播可能性[5]。MLAV是在我国发现的丝状病毒, 而我国具有人口密集和人员流动性强的特点, 一旦突发疫情则极有可能对公共安全和人类健康造成巨大危害。目前尚无针对MLAV药物研究的相关报道。
假病毒模型是研究有囊膜高危病毒的经典方法, 靶点明确, 安全性好[7, 8]。本课题构建了以GP介导的MLAV进入模型, 并考察了不同组织来源的6株人源细胞和2株非洲绿猴肾细胞对MLAV的易感性。然后, 本研究评价了4个可体外阻断EBOV和MARV进入, 且体内药效学证实可显著降低EBOV感染小鼠死亡率的化合物(氯喹、粉防己碱、克罗米芬和托瑞米芬)[9-14], 发现氯喹可有效阻断MLAV进入宿主细胞, EC50为1.56 μmol·L-1, 与其抗EBOV和MARV活性相当。本研究发现了氯喹是MLAV进入阻断剂, 将为抗新型丝状病毒勐腊病毒的药物研究提供参考。
材料与方法质粒和细胞 编码密码子优化的MLAV表面糖蛋白GP基因(MLAV-GP, MLAV/CHN/2015株, GenBank KX371887.2)由北京擎科新业生物技术有限公司合成, 并插入至pcDNA3.1/Myc-His A质粒载体; 携带其他丝状病毒GP基因(EBOV-GP, EBOV/Mayinga/1976株, GenBank AF086833.2和MARV-GP, MARV/Musoke/1980株, GenBank DQ217792.1)的质粒为本室保存[7]。携带荧光素酶报告基因的HIV-1核心质粒(pNL4-3.Luc.R-E-)和水泡性口炎病毒外壳糖蛋白(vesicular stomatitis virus glycoprotein, VSV-G)质粒由美国伊利诺伊大学Dr. Lijun Rong惠赠。人胚肾上皮细胞293T、人肺腺癌上皮细胞A549、人肝癌细胞HepG2、人脑胶质神经细胞U-87MG、人小肠癌细胞HIC、人结直肠腺癌细胞HCT-8、非洲绿猴肾细胞Vero、非洲绿猴肾细胞76株E6克隆VeroE6购自国家实验细胞资源共享平台(China Infrastructure of Cell Line Resource), 均按照细胞说明书进行培养和传代。
试剂和化合物 细胞裂解液、萤火虫荧光素酶检测试剂盒、CellTiter-glo细胞活力检测试剂盒购自Promega公司; jetPRIME转染试剂购自Polyplus-transfection公司; 蛋白预染分子量标准、限制性内切酶Kpn Ⅰ- HF和Age Ⅰ-HF购自NEB公司; λDNA/Hind Ⅲ Marker购自Fermentas公司; 兔抗6×His单克隆抗体购自Abcam公司; 小鼠抗β-actin单克隆抗体、辣根过氧化物酶标记山羊抗兔IgG和辣根过氧化物酶标记山羊抗小鼠IgG购自北京中杉金桥生物技术公司; HIV-1 p24抗原ELISA试剂盒和兔抗HIV-1 p24多克隆抗体购自北京义翘神州生物技术有限公司; DMEM培养基、胎牛血清和青链霉素双抗溶液购自Invitrogen公司; 粉防己碱(tetrandrine, CAS# 518-34-3)购自中国食品药品检定研究院; 磷酸氯喹(chloroquine phosphate, CAS# 50-63-5)、柠檬酸托瑞米芬(toremifene citrate, CAS# 89778-27-8)和柠檬酸克罗米芬(clomiphene citrate, CAS# 50-41-9)购自上海陶素生化科技有限公司。
MLAV-GP的蛋白表达检测 将293T细胞以5×105细胞数接种于6孔板, 于37 ℃、5% CO2培养箱培养过夜。按照jetPRIME转染试剂说明书将羧基端连接有6×His标签的MLAV-GP质粒转染至293T细胞, 同时设置293T细胞空白对照组和转染HIV-1核心质粒对照组。转染48 h后, 弃去细胞上清, 裂解细胞并将细胞裂解物于4 ℃、13 000 r·min-1离心10 min, 将离心上清液收集于新管, 制备蛋白样品。通过蛋白免疫印迹方法检测MLAV-GP蛋白表达(一抗:兔抗6×His单克隆抗体; 二抗:辣根过氧化物酶标记山羊抗兔IgG), 同时检测细胞内β-actin蛋白表达, 作为内参对照(一抗:小鼠抗β-actin单克隆抗体; 二抗:辣根过氧化物酶标记山羊抗小鼠IgG)。
病毒的制备 将293T细胞以3×106细胞数接种于100 mm培养皿, 于37 ℃、5% CO2培养箱培养过夜。按照jetPRIME转染试剂说明书共转染5 μg HIV-1核心质粒(pNL4-3.Luc.R-E-)和5 μg MLAV-GP质粒, 或仅5 μg HIV-1核心质粒至293T细胞, 并于转染后16 h更换为新鲜细胞培养基。转染48 h后, 收集包含病毒颗粒的细胞上清, 并经0.45 μm滤膜过滤, 分别将获得的HIV/MLAV-GP和HIV-alone病毒液进行病毒滴度检测, 并按照HIV-1 p24抗原ELISA试剂盒说明书测定并计算病毒原液的p24抗原浓度。同法制备HIV/EBOV-GP、HIV/MARV-GP和HIV/VSV-G病毒液。
HIV/MLAV-GP的病毒包装检测 将HIV/MLAV-GP或HIV-alone病毒液轻轻铺层于20%蔗糖垫层溶液上, 于4 ℃、50 000 r·min-1离心2 h (Beckman Optima L-100XP), 弃上清, 将浓缩病毒重悬于冰NTE缓冲液(10 mmol·L-1 Tris, 100 mmol·L-1 NaCl, 1 mmol·L-1 EDTA, pH 7.5)。通过蛋白免疫印迹方法检测HIV/MLAV-GP浓缩病毒的MLAV-GP (一抗:兔抗6×His单克隆抗体; 二抗:辣根过氧化物酶标记山羊抗兔IgG), 以HIV-alone浓缩病毒为对照。同时检测病毒颗粒的核心蛋白HIV-1 p24, 作为内参对照(一抗:兔抗HIV-1 p24多克隆抗体; 二抗:辣根过氧化物酶标记山羊抗兔IgG)。
病毒滴度检测 将293T细胞以2×104细胞数接种于48孔板, 于37 ℃、5% CO2培养箱培养过夜。将病毒液以不同稀释比(1:2、1:4、1:8、1:16、1:32和1:64)感染细胞, 并于37 ℃、5% CO2培养箱培养48 h。弃去细胞上清并向细胞孔中加入40 μL细胞裂解液, 于室温裂解细胞10 min, 将30 μL萤火虫荧光素酶底物与30 μL细胞裂解液混合并于化学发光检测器(Berthold Titertek)测定细胞中荧光素酶活性, 以荧光素酶相对活性(relative luciferase units, RLUs)表示, 计算病毒原液滴度。
化合物药效学评价 将293T细胞以2×104细胞数接种于48孔板, 于37 ℃、5% CO2培养箱培养过夜。以DMSO为溶剂配制粉防己碱、柠檬酸托瑞米芬和柠檬酸克罗米芬; 以灭菌水为溶剂配制磷酸氯喹。将不同浓度化合物加入细胞孔中, 于37 ℃、5% CO2培养箱孵育15 min后, 加入HIV/MLAV-GP病毒液或HIV/EBOV-GP病毒液或HIV/VSV-G病毒液, 病毒量为0.5 ng·mL-1 HIV-1 p24。将细胞于37 ℃、5% CO2培养箱培养48 h后, 弃去细胞上清并向细胞孔中加入40 μL细胞裂解液, 于室温裂解细胞10 min, 将30 μL萤火虫荧光素酶底物与30 μL细胞裂解液混合并于化学发光检测器(Berthold Titertek)测定细胞中荧光素酶活性, 以荧光素酶相对活性(RLUs)表示。以DMSO组RLUs为100%感染, 计算粉防己碱、托瑞米芬和克罗米芬的半数有效浓度EC50; 以灭菌水组RLUs为100%感染, 计算氯喹的EC50。
化合物的细胞毒性检测 将293T细胞以8×103细胞数接种于96孔板, 于37 ℃、5% CO2培养箱培养过夜。以DMSO为溶剂配制粉防己碱、柠檬酸托瑞米芬和柠檬酸克罗米芬, DMSO为溶剂对照; 以PBS为溶剂配制磷酸氯喹, PBS为溶剂对照。将不同浓度化合物加入细胞孔中, 于37 ℃、5% CO2培养箱孵育48 h后, 将100 μL CellTiter-glo底物与100 μL细胞上清混合, 于室温孵育0.5 h, 并于化学发光检测器(Berthold Titertek)测定细胞活力。以等量DMSO组细胞活力为100%, 计算粉防己碱、托瑞米芬和克罗米芬的细胞活力; 以等量PBS组细胞活力为100%, 计算氯喹的细胞活力。
数据分析及统计 应用GraphPad Prism软件进行数据分析, 通过病毒稀释度/荧光素酶活性数据得到病毒滴度曲线; 通过化合物浓度/感染率、浓度/细胞存活率数据作散点图并用非线性拟合得到相关系数和量效曲线, 计算EC50。
结果与讨论 1 勐腊病毒进入模型的构建 1.1 编码MLAV-GP基因的质粒构建将MLAV-GP基因(GenBank KX371887.2, 长度1 989 bp)按照人密码子偏好进行基因序列优化[15]并合成基因, 将MLAV-GP基因片段插入pcDNA3.1/Myc-His A质粒载体, 酶切位点为Kpn I/Age Ⅰ, GP基因3'端连有编码6×His标签的基因序列, 加标签后的MLAV-GP基因长度为2 016 bp。MLAV-GP质粒经测序及酶切鉴定正确。
1.2 MLAV-GP的蛋白表达鉴定丝状病毒GP是负责病毒进入的唯一蛋白, GP经转录翻译后生成GP0前体, 经蛋白酶解加工生成成熟GP单体, 由GP1和GP2两个亚基组成[16, 17]。本课题通过转染MLAV-GP质粒至293T细胞, 48 h后收获细胞并进行SDS-PAGE电泳和Western blot检测GP蛋白表达。结果显示, MLAV-GP样品可检测到分子质量为100~135 kDa和25~32 kDa的两个条带, 两个蛋白分别为MLAV-GP0前体和MLAV-GP2亚基(图 2A), 提示MLAV-GP蛋白可正常表达。
通过共转染MLAV-GP质粒和HIV-1核心质粒至293T细胞, 获得HIV/MLAV-GP假病毒。在HIV/MLAV-GP病毒浓缩样品中可检测到MLAV-GP蛋白(图 2B), 提示其囊膜包裹有MLAV-GP, 可模拟MLAV进入过程。同时制备仅转染HIV-1核心的HIV-alone组, 其囊膜无外壳蛋白包裹, 可作为HIV/MLAV-GP感染的本底对照。由于病毒核心携带荧光素酶报告基因, 因此可通过检测细胞中荧光素酶表达水平评价病毒感染。结果显示, HIV/MLAV-GP感染细胞的RLU达到1×108水平, 比HIV-alone高10 000倍以上(图 2C)。并且, HIV/MLAV-GP病毒的感染量与细胞中荧光素酶相对活性呈剂量依赖性关系(图 2D), 提示MLAV进入模型构建成功。
2 HIV/MLAV-GP对不同组织来源人源细胞和非人灵长类动物细胞的感染性研究EBOV和MARV的感染可造成人体多组织器官损伤, 包括肝脾坏死、急性肾小管坏死、全脑炎、肺出血、肠浸润等病变[18]。为考察HIV/MLAV-GP对不同组织器官的感染性, 本课题应用6株不同组织来源的人源细胞系和2株非洲绿猴肾细胞进行了病毒感染性检测, 这8株细胞为:人肾组织细胞(293T)、人肺组织细胞(A549)、人肝组织细胞(HepG2)、人脑组织细胞(U-87MG)、人小肠组织细胞(HIC)、人结直肠组织细胞(HCT-8)和猴肾组织细胞(Vero和VeroE6)。结果显示, HIV/MLAV-GP对所检测的细胞均易感, 报告基因信号强度较HIV-alone组(本底)高1 000~10 000倍, 与HIV/EBOV-GP和HIV/MARV-GP感染强度相当(图 3), 提示上述组织是MLAV的潜在感染靶器官, 人类及非人灵长类动物有作为MLAV宿主的可能性。
自2014年西非埃博拉疫情暴发, 针对EBOV的药物研究备受关注, 全球多个团队针对EBOV进入环节研发药物。研究结果显示, 磷酸氯喹[10, 11]、柠檬酸托瑞米芬[12, 13]、柠檬酸克罗米芬[12, 13]和粉防己碱[14]可在体外有效阻断EBOV和MARV进入细胞, 且体内药效学也证实上述4个化合物可显著降低EBOV感染小鼠死亡率。本课题针对这4个化合物, 考察了它们是否可阻断MLAV-GP介导的病毒进入。如图 4结果显示, 氯喹可有效阻断HIV/MLAV-GP进入宿主细胞, EC50为1.56 μmol·L-1, 与抗HIV/EBOV-GP和HIV/MARV-GP活性相当(EC50: 1.34 μmol·L-1和0.89 μmol·L-1), 与体外抗EBOV活病毒活性相似(EC50: 4.7 μmol·L-1[10, 11])。粉防己碱是细胞双孔钙离子通道阻滞剂, 有研究显示EBOV和MARV的膜融合过程依赖该通道, 粉防己碱具有抑制EBOV和MARV膜融合活性[14]。本研究也应用假病毒感染模型验证了该活性, 其抗HIV/EBOV-GP和HIV/MARV-GP的EC50分别为0.46 μmol·L-1和0.25 μmol·L-1; 研究显示粉防己碱对HIV/MLAV-GP感染的抑制活性(EC50: 2.65 μmol·L-1)与其抑制HIV/VSV-G感染活性相当(EC50: 2.27 μmol·L-1), 弱于其抗HIV/EBOV-GP和HIV/MARV-GP活性, 提示MLAV感染宿主细胞的过程对细胞双孔钙离子通道的依赖性较低。克罗米芬在3 μmol·L-1浓度下无抗MLAV活性, 其抗EBOV和MARV的EC50分别为0.58 μmol·L-1和1.48 μmol·L-1。托瑞米芬在10 μmol·L-1浓度下无抗MLAV进入活性, 其抗EBOV和MARV的EC50分别为0.21 μmol·L-1和2.53 μmol·L-1 (图 4)。
结合上述化合物的抗MLAV活性和它们阻断EBOV和MARV的机制, 本研究进行了如下分析:
① 氯喹可有效阻断EBOV、MARV和MLAV进入, 且活性近似。有报道氯喹作用于病毒进入细胞内体后的早期病毒颗粒转运过程, 通过将病毒滞留于早期内体并阻断其进入晚期内体/溶酶体, 从而抑制病毒膜融合过程[10, 11]。本结果提示, MLAV的早期进入过程应与EBOV和MARV近似, 同时也提示了丝状病毒的胞内早期转运环节有可能是广谱抗丝状病毒药的药靶。
② 粉防己碱对HIV/MLAV-GP感染的抑制活性(EC50: 2.65 μmol·L-1)弱于其抗EBOV和MARV的活性, 而其在10 μmol·L-1浓度时可引起细胞变圆等细胞毒性现象, 故安全窗较小, 不建议将粉防己碱作为抗MLAV化合物进行后续研究。此外, 有报道显示, 粉防己碱阻断EBOV和MARV融合过程是通过作用于细胞双孔钙离子通道, 从而将EBOV或MARV滞留于晚期内体/溶酶体[14]; 而本研究结果显示, 在相同剂量下, 粉防己碱不能阻断HIV/MLAV-GP的进入过程, 提示MLAV的进入对细胞双孔钙离子通道的依赖性较低。
③ 克罗米芬无显著抗MLAV活性。有研究显示克罗米芬作用于EBOV进入后期, 使病毒滞留于晚期内体/溶酶体, 可能通过干扰NPC1作用而抑制EBOV膜融合过程[12, 13]。MLAV也通过与NPC1结合而进入宿主[5], 但由于MLAV-GP与EBOV-GP的序列同源性低, 因此, 推测MLAV-GP的NPC1结合位点可能与EBOV-GP的NPC1结合位点有差异。由于克罗米芬在10 μmol·L-1浓度时出现细胞稀疏等细胞毒表现, 安全窗较小, 故不建议后续进行高剂量克罗米芬的抗MLAV活性研究。
④ 托瑞米芬无显著抗MLAV活性。已报道托瑞米芬可结合EBOV-GP, 通过插入GP1/GP2之间的凹槽, 干扰GP2结构转换, 从而抑制病毒膜融合过程[19]。氨基酸序列比对结果显示, MLAV-GP中对应于托瑞米芬与EBOV-GP的作用域有8个关键氨基酸残基突变, 分别为R64H、V66M、E100T、A101E、L186I、Y517I、T520P和D522E (图 5), 其中的V66、L186和Y517位是与托瑞米芬形成多处结合的重要位点。值得注意的是, 上述位点在MARV-GP中也出现了突变。根据活性检测数据, 托瑞米芬的抗MARV活性弱于其抗EBOV活性, 差异超过5倍, 提示托瑞米芬可特异性结合EBOV-GP并阻断GP2结构转换, 而关键氨基酸残基的突变导致托瑞米芬与MARV-GP结合力下降, 即阻断MARV膜融合活性下降; MLAV-GP与EBOV-GP和MARV-GP的蛋白序列同源性低(27%和39%), 推测其构象与EBOV-GP和MARV-GP的构象差异较大, 而这可能是引起托瑞米芬在高剂量时仍无法阻断MLAV-GP进入的原因。
综上所述, 本课题通过构建MLAV进入模型, 考察了MLAV对不同组织来源的人源细胞和非洲绿猴肾细胞的感染性。通过对4个机制不同的EBOV和MARV进入阻断剂对MLAV进入过程进行活性评价, 发现氯喹可有效阻断MLAV进入宿主细胞, 而粉防己碱、克罗米芬和托瑞米芬均不推荐作为抗MLAV备选药物。本研究首次明确了氯喹的抗MLAV活性, 同时也提出了胞内早期转运环节有可能是广谱抗丝状病毒药物研究的药靶。另外, 进入抑制剂活性会受到GP位点突变的影响, 因此, 在研究进入抑制剂的同时, 针对丝状病毒复制等其他环节的抑制剂研究也将有助于抗新型丝状病毒药物的发现。
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