在研究新冠病毒肺炎 (COVID-19) 疗法的过程中，关键是要清楚地了解这种病毒究竟如何入侵细胞， 这将促进以阻断该通路为治疗重点的靶向抗病毒疗法的开发。
2002 年，非典型性肺炎病毒 (SARS-CoV) 引发流行性传染病，而与该病毒相关的 SARS-CoV-2 病毒引发了如今的 COVID-19。对 SARS-CoV 和 SARS-CoV-2 病毒的研究显示：在这两个案例中，病毒膜上会伸出一种棘突 (S) 蛋白，与人体细胞表面的至少一种蛋白质——血管紧张素转换酶 2 (ACE2) 相结合。 继而，蛋白酶（一种将其他蛋白质夹闭成碎片的人体酶）会切断或“修剪”棘突蛋白，以移除其外层节 S1，并露出内层 S2。 然后，棘突蛋白 S2 使病毒膜与人类细胞膜融合，让病毒遗传物质进入细胞并开始复制。 我们近期的文章总结了这个过程，并重点介绍了 ACE2 的作用。 在本篇文章中，我将更详细地介绍人体蛋白酶如何帮助病毒入侵人体细胞，并重点介绍针对这种相互作用的抗病毒治疗方法。
SARS-CoV-2 棘突蛋白：认识两个区域
SARS-CoV-2 棘突蛋白的形状与螺钉有几分相似，其头部更大，柄部更长也更细（图 1）。 三个棘突蛋白相结合，形成一个三聚体，形状就像一个更大的螺钉。 柄部嵌入病毒膜，使头部朝外，远离病毒。 较大的头部区域和部分柄部被称为棘突蛋白的 S1 区。 柄部靠近病毒膜的其余部分被称为 S2 区。
一旦它进入人体并与呼吸系统、胃肠道、血管或其他在细胞表面表达 ACE2 的细胞接触，棘突蛋白 S1 区就会与细胞表面的 ACE2 结合，并将病毒拴在人体细胞的外部。 这是病毒复制过程中的第一步。
SARS-CoV-2 入侵细胞的两种途径
一旦病毒与细胞结合，就会有两种不同的入侵途径（图 2）。 通过哪种途径入侵取决于人体蛋白酶是否会“修剪”棘突蛋白。 蛋白酶的存在取决于病毒入侵的人类细胞类型以及该细胞的特定条件。 跨膜丝氨酸蛋白酶 2 (TMPRSS2)、弗林蛋白酶、弹性蛋白酶和胰蛋白酶等几种人体蛋白酶可以裂解棘突蛋白。 TMPRSS2 由人类肺细胞表达。 因此，人们认为它在病毒入侵呼吸系统细胞的过程中发挥着重要作用。
如果这些蛋白酶恰巧出现在棘突蛋白与 ACE2 结合接触面附近，它们就会裂解棘突蛋白，暴露棘突蛋白 S2 区，特别是棘突蛋白的融合肽区。 棘突蛋白的这个融合肽区由更具疏水性或类脂的氨基酸构成，它会嵌入含脂细胞膜，诱导病毒膜与细胞膜融合，随后病毒基因组就会入侵细胞（图 2a）。 这个裂解过程必然发生在棘突蛋白与 ACE2 结合之后。 如果在结合之前发生，那么病毒感染细胞的能力就会减弱。
如果蛋白酶恰巧没有出现在棘突蛋白与 ACE2 结合接触面附近，那么病毒将会通过另一种途径入侵细胞，这一途径被称为内吞途径（图 2b）。 在这个过程中，与细胞外部 ACE2 蛋白结合的冠状病毒会被细胞膜小范围内的凹陷区吞没，然后夹断，形成一个内吞膜泡，将外部物质带入细胞。 这个过程发生后，内吞膜泡与细胞内膜壁小泡融合，称为核内体。 核内体中存在蛋白酶，包括一种名为组织蛋白酶L的酶，它可以裂解棘突蛋白并暴露棘突蛋白的融合肽区。 然后，融合肽会介导病毒膜与核内体膜融合，从而诱导病毒基因组随后入侵细胞。
近期的文献表明，SARS-CoV-2 入侵细胞可能有第三种途径。 病毒在细胞内复制和制造新病毒颗粒时，一些棘突蛋白可能会在新病毒组装过程中被一种名为弗林蛋白酶的人体蛋白酶预先裂解或预先激发。 这意味着一旦病毒从细胞中分解出来，即使对于上述两种“正常”棘突蛋白裂解途径之一而言，其他细胞中存在的蛋白酶水平较低，带有预先激发棘突蛋白的病毒仍然可以与这些细胞融合并感染它们。
反击计划
研究人员正在竭力研制新药物，希望能够靶向感染生命周期中的棘突-ACE2-膜融合-内吞作用部分，以期抗击 COVID-19。 我们在之前的文章中重点介绍了重组可溶性 ACE2 这种潜在疗法。 该疗法主张在 SARS-CoV-2 与细胞表面的 ACE2 结合之前灭活棘突蛋白。 然而，许多其他候选药物也值得考虑。
Nafomastat 和 MI-1851 分别抑制参与棘突蛋白裂解、TMPRSS2 和弗林蛋白酶的蛋白酶，在试管中显示出减弱 SARS-CoV-2 感染力的潜力。 肽是一种类似于小范围棘突蛋白的蛋白质，肽链非常短，经证明，通过“阻塞”病毒上激发的棘突蛋白，可以抑制病毒和人类细胞膜的融合，因为它在膜融合过程中改变了形状。 这可以防止病毒入侵。 最后，PIKfyve 抑制剂是治疗 SARS-CoV-2 感染的已知阻断剂。 PIKfyve 是一种人体脂类激酶，可以将磷酸基添加至特定脂质中。 由于 PIKfyve 在病毒通过内吞途径入侵的过程中参与内体代谢，所以 PIKfyve 抑制剂具有抗病毒活性。
这些只是目前正在研究的许多候选药物中的一小部分，均作为抑制 SARS-CoV-2 病毒入侵的抑制剂 。 不过，对于寻求 COVID-19 疗法的研究人员而言，有许多目标物可供选择。 棘突蛋白、ACE2、裂解棘突蛋白和内吞途径成分的蛋白酶都是目前正在研究的可能靶点，许多物质都具有与这些靶点相关的抗病毒活性。 为帮助科学家更快鉴定这些潜在的候选药物，CAS 发布了一个由 CAS REGISTRY® 收录的开源数据集，其中包括已知的抗病毒药物与结构类似于已知抗病毒药物的相关化合物。 单击此处下载本文和其他 CAS COVID-19 公开资源，以了解更多信息。
