胆固醇：新冠病毒感染的帮凶

诸平 

据美国霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）2021年1月22日提供的消息，该研究所的研究人员设计细胞来携带SARS-CoV-2蛋白(绿色)或其人类靶标ACE2(洋红色)。当彼此靠近时，细胞膜就会融合（见上图所示）。研究人员认为类似的过程让病毒进入细胞。如果感染了新型冠状病毒，服用降胆固醇药物的人可能比其他人的情况更好。一项新研究揭示了原因:病毒依赖于脂肪分子通过细胞的保护膜。

霍华德·休斯医学研究所的研究员克利福德•布兰温（Clifford Brangwynne）在其实验室的报告中指出，要引发COVID-19, SARS-CoV-2病毒必须强行进入人体细胞，它需要一个帮凶。胆固醇是一种蜡质化合物，以阻塞动脉而闻名，它能帮助新冠病毒打开细胞并进入细胞内。

研究小组于2020年12月14日发表在bioRxiv.org网站上的预印稿中写道，没有胆固醇，病毒就不能穿过细胞的保护屏障（Without cholesterol, the virus cannot sneak past a cell's protective barrier）而引起感染。这项工作在实验室培养的细胞中重现了感染的早期阶段，但尚未经过同行评审的科学审查过程。研究论文详见：David W. Sanders, Chanelle C. Jumper, Paul J. Ackerman, Dan Bracha, Anita Donlic, Hahn Kim, Devin Kenney, Ivan Castello-Serrano, Saori Suzuki, Tomokazu Tamura, Alexander H. Tavares, Mohsan Saeed, Alex S. Holehouse, Alexander Ploss, Ilya Levental, Florian Douam, Robert F. Padera, Bruce D. Levy, Clifford P. Brangwynne. SARS-CoV-2 Requires Cholesterol for Viral Entry and Pathological Syncytia Formation, bioRxiv (2020). DOI: 10.1101/2020.12.14.422737. Posted December 14, 2020.

普林斯顿大学（Princeton University）生物物理工程师、也是霍华德·休斯医学研究所的研究员克利福德•布兰温说：“胆固醇是包围细胞和一些病毒(包括SARS-CoV-2)的细胞膜的组成部分。它对感染如此重要是有道理的。”他补充说，这一发现可能为COVID-19患者服用他汀类降胆固醇药物获得更好的健康结果奠定了基础。尽管科学家们还没有建立起相关机制，但这项研究和2020年秋天发表的另一项研究表明，这些药物通过阻断胆固醇来阻止SARS-CoV-2进入细胞。

克利福德•布兰温说，胆固醇重要性的这一发现可以帮助科学家开发新的方案，在大多数人接种疫苗之前治疗COVID-19感染。这项研究还可能揭示这种疾病的一个奇怪特征: COVID-19患者肺部中发现的巨大复合细胞的形成。在他们的实验中，科学家们在显微镜下看到了类似的巨型细胞。许多细胞可以融合在一起，产生巨细胞或合胞体，与COVID-19患者肺部发现的合胞体类似。

模仿病毒感染

在正常时期，克利福德•布兰温的团队研究的是组织细胞内分子的物理作用力。但在2020年春天，他的实验室像世界上许多其他实验室一样，转移了研究重点，培训了有关SARS-CoV-2的生物学专业知识。他们开始研究病毒和人蛋白是如何相互作用的，以及这种相互作用是如何让SARS-CoV-2进入细胞的。他说:“我们实验室并不是一个病毒学研究实验室，我们以前从未在病毒学领域进行过研究，所以我们开始思考我们已经开发出来的可以使用的工具和方法。”

克利福德•布兰温的实验室经常使用实验室培养的细胞。为了模拟SARS-CoV-2感染，他的团队设计了一些细胞，让它们与两种分子中的一种进行接触，即要么是病毒的“刺突蛋白(spike protein)”，要么是人类的ACE2蛋白。就是为了引起感染，病毒必须将自己的膜融合到细胞的膜上。当刺突蛋白达到它们的细胞目标ACE2时，这个过程就开始了。

在实验室中，研究人员观察了实验室培养的细胞与这些蛋白质的相互作用。首先，带有ACE2的细胞会长出微小的触须，附着在附近细胞上的刺突蛋白上。在这些点上，两个细胞膜融合并形成开口，使细胞的内含物混合。最终，这两个细胞融合在一起，类似于科学家们所预期的病毒与细胞融合以感染细胞的方式。

包括普林斯顿大学的David Sanders、Chanelle Jumper和Paul Ackerman在内的研究人员试图破坏这种细胞融合。使用一个自动系统，他们测试了大约6000种化合物的效果，以及对刺突蛋白的30多种调整。这些实验和其他实验都表明，如果SARS-CoV-2的细胞膜缺乏胆固醇，病毒就无法进入目标细胞。这并不是第一个与胆固醇有关的证据。加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的一个研究小组此前的研究发现，人体对病毒的免疫反应会产生一种化合物，这种化合物会消耗胆固醇，但在这种情况下，这种化合物来自细胞本身的细胞膜，而不是病毒的细胞膜。

弗吉尼亚大学（University of Virginia）研究病毒性疾病物理机制的科学家彼得·卡森(Peter Kasson)说:“胆固醇作为大量病毒感染的重要因素已经得到了很好的研究。”“有趣的是，胆固醇在病毒入侵过程中的作用在不同病毒之间有很大不同。”彼得·卡森没有参与克利福德•布兰温等人的研究项目。他说，目前还不清楚胆固醇是如何帮助SARS-CoV-2的，但了解这一过程可以提供有关感染生物学的线索。

他汀类药物明显的有益作用也适用于其他病毒感染。彼得·卡森说，一些研究表明，这些药物通过剥夺流感病毒的胆固醇来削弱它。但这可能不是药物改变病毒感染过程的唯一方法，他说：“这有点复杂，因为他汀类药物也会改变免疫反应。”

神秘的大型细胞

在克利福德•布兰温的实验中，他的团队注意到一些奇怪的事情。这些细胞继续相互吞噬，把里面的东西挤在一起，就像打碎在碗里的鸡蛋。在显微镜下出现的复合细胞，称其为合胞体，与肌肉和胎盘等健康组织以及一些病毒性疾病中发现的细胞相似。

珍妮弗·利平科特-施瓦茨(Jennifer Lippinott-Schwartz)说:“人们已经知道COVID-19病毒会产生合胞体，但研究人员能够将这一过程完美地可视化。细胞-细胞融合本身就是生物学研究的一个领域。”珍妮弗·利平科特-施瓦茨是HHMI Janelia研究园区（HHMI's Janelia Research Campus）的高级小组负责人，但她并没有参与克利福德•布兰温等人的研究项目。她说，这些实验很可能说明了在患者肺部发现的巨细胞是如何形成的。“在新冠肺炎病例中，合胞体的形成可能非常有害，它可以破坏肺组织并导致死亡。”

克利福德•布兰温表示，目前尚不清楚合胞体是否在COVID-19的发展过程中发挥了主要作用。但是，他的团队在论文中指出，发现胆固醇的作用可以帮助科学家对抗这种疾病。“我们的发现强调了他汀类药物和其他类似治疗的潜在效用。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Summary

Many enveloped viruses induce multinucleated cells (syncytia), reflective of membrane fusion events caused by the same machinery that underlies viral entry. These syncytia are thought to facilitate replication and evasion of the host immune response. Here, we report that co-culture of human cells expressing the receptor ACE2 with cells expressing SARS-CoV-2 spike, results in synapse-like intercellular contacts that initiate cell-cell fusion, producing syncytia resembling those we identify in lungs of COVID-19 patients. To assess the mechanism of spike/ACE2-driven membrane fusion, we developed a microscopy-based, cell-cell fusion assay to screen ～6000 drugs and >30 spike variants. Together with cell biological and biophysical approaches, the screen reveals an essential role for membrane cholesterol in spike-mediated fusion, which extends to replication-competent SARS-CoV-2 isolates. Our findings provide a molecular basis for positive outcomes reported in COVID-19 patients taking statins, and suggest new strategies for therapeutics targeting the membrane of SARS-CoV-2 and other fusogenic viruses.

• Cell-cell fusion at ACE2-spike clusters cause pathological syncytia in COVID-19

• Drug screen reveals critical role for membrane lipid composition in fusion

• Spike’s unusual membrane-proximal cysteines and aromatics are essential for fusion

• Cholesterol tunes relative infectivity of SARS-CoV-2 viral particles