案例分享

Viruses丨脂质组学揭示脂质代谢重塑对人冠状病毒复制的影响

发布日期:2020.04.07 浏览次数(1023)


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新春以来,全国处于战“疫”状态,共同对抗新型冠状病毒(SARS-CoV-2)这一恶魔。小编今天给您分享一篇国家卫健委高级别专家组成员、中国工程院院士、香港大学袁国勇教授团队于2019年发表于《Viruses》杂志的冠状病毒脂质组学研究论文,或许能为各位医学科研工作者提供一些研究思路。

冠状病毒是含一条大的单链正义RNA基因组的包膜病毒。加上最新爆发的新型冠状病毒,目前已知共有七种感染人类的冠状病毒。



人类冠状病毒和脂质组学


冠状病毒种类
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  • 人类冠状病毒OC43(HCoV-OC43)

  • 人类冠状病毒229E(HCoV-229E)

  • 严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)

  • 人类冠状病毒HKU1(HCoV-HKU1)

  • 人类冠状病毒NL63(HCoV-NL63)

  • 中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)

  • 新型冠状病毒(SARS-CoV-2)

这些致病性人类冠状病毒导致广泛的临床症状。HCoV-OC43、HCoV-229E、HCoV-HKU1和HCoV-NL63引起轻微的自限性上呼吸道感染。相反,SARS冠状病毒和2018年出现的MERS冠状病毒在免疫活性和免疫功能低下的宿主中引起严重肺炎并伴有急性呼吸窘迫综合征、多器官衰竭和死亡。
脂类在病毒的复制过程中起着许多不可或缺的细胞功能,并参与病毒复制的多个环节。在此篇文献中,作者以人冠状病毒229E(HCoV-229E)为模型冠状病毒,基于超高效液相色谱-质谱(UHPLC-MS)的脂质组学方法,建立了一个以质谱为基础的类脂组学方法来研究冠状病毒感染后宿主细胞脂质的变化。
脂质组学是对生物体系中的所有脂质进行系统分析的一门新兴学科,是一门通过比较不同生理状态下脂代谢网络的变化,进而识别代谢调控中关键的脂类生物标志物,最终揭示脂质在各种生命活动中的作用机制的学科。


应用案例
脂质组学揭示脂质代谢重塑对
人冠状病毒复制的影响

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01 
研究思路


作者团队通过基于高分辨质谱的脂质组学研究分析,在数据处理中采用单变量和多变量统计分析,筛选到24种差异脂质。随后对冠状病毒感染后宿主细胞的脂质变化和细胞脂质如何调节人类致病性冠状病毒的致病性进行研究。鉴定到病毒感染特异性脂质,包括甘油磷脂和脂肪酸,它们代表了HCoV-229E感染后重新排列的脂质种类。途径分析表明亚油酸和花生四烯酸代谢轴是最受HCoV-229E病毒感染干扰的途径。重要的是,在冠状病毒感染细胞中添加亚油酸和花生四烯酸可显著抑制HCoV-229E和高毒力MERS-CoV的病毒复制,表明油酸-花生四烯酸代谢轴是调节冠状病毒复制的一个共同而必要的途径。研究表明,宿主脂质代谢重塑与人类致病性冠状病毒的传播密切相关,脂质代谢调节是冠状病毒感染的一个常见且可药物治疗的靶点。通过脂质组学研究宿主脂质谱的时间调节来对抗新出现的人类冠状病毒或许是一种潜在的新策略。


02 
研究策略


基于组学的显著脂质组离子特征统计学分析:

为了研究冠状病毒对宿主脂质代谢的影响,作者首先对HCoV-229E感染的Huh7细胞进行脂质组学分析,并与模拟感染的Huh7细胞进行比较。初步特征列表包括母离子、加合物和同位素离子,这些离子被导入到代谢分析系统和SIMCA-P软件中进行分析。代表OPLS-DA模型X/Y变量解释率的R2X/R2Y分别为83.0%和98.8%。经交叉验证,预测成分为0.97(Q2)。这些OPLS-DA模型的交叉验证参数令人满意(图1a)。同时,置换检验(100次)表明验证模型也是令人满意的(图1b)。总之,我们的结果表明这些显著的脂质特征可以通过验证的统计模型来选择,以便随后的鉴定。




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图1


特异性脂质的筛选鉴定:

利用基于组学的统计分析方法,筛选到HCoV-229E特异性脂类共206个(正离子模式)和100个(负离子模式)离子特征(注:一个离子特征不代表一个脂质,而一个脂质通常有多个质谱离子特征)。这些离子特征在HCoV-229E感染细胞和模拟感染细胞之间具有显著差异。为了更详细地观察区分趋势,我们基于脂质丰度谱相似度进行层次聚类分析,以显示所有重要离子特征的总体趋势(图2)。与模拟感染对照组相比,HCoV-229E感染后,负离子模式(图2A)和正离子模式(图2B)大部分显著改变的离子特征均表现出上调趋势。为了鉴定感染HCoV-229E后细胞所特有的脂质,我们使用CAMERA软件对这些重要离子特征进行分组和注释,并选择母离子进行MS/MS实验,以获取它们的碎片离子信息。共鉴定得到24种脂质,分为溶血磷脂酰胆碱(LysoPC)、溶血磷脂酰乙醇胺(LysoPE)和脂肪酸(FA)三类。




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图2


利用LC-MS原始数据生成这些脂质的色谱峰高,并测定感染细胞与模拟感染细胞的比例。如图3所示,我们发现HCoV-229E感染的细胞中已鉴定脂质呈一致性上调趋势。溶血磷脂酰胆碱(LysoPC)尤其是所有已鉴定脂质的主要类群,约占所有已鉴定脂质的60%,且显著升高(图3A)。属于脂肪酸类(FAs)的花生四烯酸(AA)在所有已鉴定的脂类中表现出最高的倍数变化,最高为7.1倍(图3B)。此外,溶血磷脂酰乙醇胺(LysoPEs)水平也被上调(图3C),最大倍数变化为2.93,相对低于LysoPCs和FAs。



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图3





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图4 对照组和229E组间七种检测鉴定的脂质峰高的箱形图





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表1 24种检测到的差异代谢物



HCoV-229E感染Huh7细胞的通路分析:

基于HCoV-229E感染后显著上调的脂质列表,采用在线工具MetaboAnalyst研究哪些通路可能受到明显干扰。通路分析结果如图5所示。



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图5


从富集分析结果来看,亚油酸代谢(Linoleic acid metabolism)途径和脂肪酸生物合成(Fatty acid biosynthesis)途径的raw p值具有统计学意义(raw p<0.05,如Y轴所示)。途径影响结果表明,亚油酸代谢途径和花生四烯酸代谢(Arachidonic acid metabolism)途径的影响程度高于其它途径,如X轴(Pathway Impact)值所示。结合以上两个分析结果,推测亚油酸代谢途径是一个与HCoV-229E感染诱导的脂质重排过程相关的明显被扰动的途径

为了更好地了解当前途径分析结果和HCoV-229E感染时的细胞脂质信号响应,作者基于KEGG数据库(https://www.genome.jp/KEGG/)和文献中的通路信息构建了一个亚油酸通路图(图6)。

当被HCoV-229E感染后,细胞cPLA2酶被激活,随后细胞膜的主要成分甘油磷脂代谢为溶血磷脂和脂肪酸,溶血磷脂如LysoPCs和LysoPEs相应增加。此外,溶血磷脂可进一步代谢为血小板活化因子。

脂肪酸也从甘油磷脂中释放,但只有亚油酸和花生四烯酸能启动下游途径生成相应的代谢产物。采用标准品部分确证了溶血磷脂和脂肪酸的上调。此外,为了研究脂肪酸下游途径的变化趋势,在LC-MS法中还采用标准品进行结构验证,以确定这些下游脂质是否发生了相应的变化。如图6所示,花生四烯酸(AA)是亚油酸(LA)的下游脂肪酸,是AA代谢途径的来源物质。花生四烯酸也得到标准品验证。综合通路分析和标准品验证,表明LA-AA代谢轴是最显著被干扰的途径,可能与HCoV-229E感染中的脂质重排或其它过程有关




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图6



03 
结论


本研究发现,HCoV-229E感染后细胞脂质谱发生了重排。24种脂类,包括溶血磷脂酰胆碱(LysoPCs)、溶血磷脂酰乙醇胺(LysoPEs)和非饱和/饱和脂肪酸一致性上调。作为脂质重要前体物的亚油酸(LA)和花生四烯酸(AA),组成LA-AA代谢轴,强烈影响HCoV-229E病毒和高致病性MERS-CoV病毒的复制。最优的冠状病毒复制需要特定的细胞脂质组分,任何破坏都可能降低冠状病毒的复制效率。因此,基于质谱的脂质组学策略可用于监测病毒复制的特异性脂质需求、发现干扰途径和鉴定新的脂质,以干扰病毒复制。将脂质组学数据与生物学和免疫学数据相结合,可能有助于进一步阐明病毒感染的特定致病机制并确定新的治疗策略。



✎ 文献出处

Yan BP, Chu H, YuenKY, et al.Characterization of the lipidomic profile of human Coronavirus-infected cells: implications forlipid metabolism remodeling upon Coronavirus replication.Viruses,2019:11(1), 73. 


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