Trends Microbiol：感染期间，线粒体如何介导病毒的氧化应激？
Trends Microbiol：感染期间，线粒体如何介导病毒的氧化应激？
2022年1月19日，来自新加坡的科研团队在Trends in Microbiology发表题目为“Mitochondria-mediated oxidative stress during viral infection”的综述文章，论文详细讨论了病毒如何从升高的ROS中受益和它们如何控制ROS的产生以维持有利的氧化还原环境，以及它们如何应对ROS介导的细胞死亡。
病毒通过利用宿主细胞进行基因组复制、蛋白质翻译和翻译后修饰、病毒粒子组装和病毒粒子释放。在细胞内，线粒体在能量产生过程中起着关键作用，是活性氧（ROS）的重要生产来源。越来越多的体外和体内研究表明，ROS水平升高有利于病毒复制。除了在细胞抗病毒反应中的作用外，诱导氧化应激已成为许多病毒用来促进其复制的常用策略。在这里，作者讨论了病毒与线粒体相互作用并诱导氧化应激的关键分子机制，以及对宿主和病原体的影响。
氧化磷酸化和氧化应激
ATP是随着电子通过线粒体电子传递链（ETC）而合成的，该链由位于线粒体内膜（IMM）上的多聚体蛋白质复合物I-IV组成，这一过程称为氧化磷酸化（图1）。在这个过程中，1-2%的电子不可避免地从ETC中泄漏出来，并减少周围的分子O2还原为ROS超氧化物（O2•–)。
虽然 ROS 可以通过各种机制产生，但 ETC 是细胞内 ROS 的主要来源。在稳态下，氧化还原稳态通过一系列涉及 O2•–歧化的反应来维持过氧化氢（H2O2），通过超氧化物歧化酶SOD1和SOD3和SOD2，可被许多抗氧化酶（如过氧化氢酶、过氧化物还原酶和谷胱甘肽/谷胱甘肽过氧化物酶系统）进一步降解。当细胞内ROS的产生超过细胞的抗氧化能力时，就会发生氧化应激。这种情况可能是由于ROS生成增加和/或抗氧化防御能力受损所致。
图1.病毒蛋白与电子传递链 （ETC） 组分之间的相互作用
病毒和线粒体之间的分子相互作用导致ROS产生增加
病毒与线粒体膜的相互作用
导致线粒体跨膜电位 （MMP）去极化，从而产生 ROS。例如：乙型肝炎病毒X蛋白（HBx）在肝癌HepG2细胞中，通过与电压依赖性阴离子通道（VDAC）3相互作用，导致其下调，从而增加线粒体对MMP去极化。另外，丙型肝炎病毒 Core、E1、E2和NS3蛋白也可以通过与线粒体膜相互作用导致MMP去极化和mtROS产生。
病毒与线粒体基质蛋白的相互作用
干扰线粒体功能导致mtROS水平升高。HCV core蛋白与线粒体基质中的热休克蛋白60（Hsp60）之间的相互作用触发了ROS的产生，可能是通过干扰蛋白质的伴侣活性并导致线粒体呼吸功能障碍。
病毒诱导的内质网（ER）应激
通过内质网的钙外排并导致mtROS的产生。乙型肝炎病毒感染期间（hepatitis B virus，HBV）， HBsAg和HBcAg在内质网中积累导致内质网应激，促进ROS的产生。
ROS产生如何使病毒受益
尽管病毒诱导的 ROS 水平升高会触发先天抗病毒免疫，但越来越多的研究表明ROS 的产生有益于病毒复制。病毒在感染过程中受益于ROS水平升高的机制大致可分为两类，即直接机制和间接机制。前者主要涉及活性氧变化，后者主要涉及 ROS 介导的宿主信号通路调节。
病毒蛋白的氧化修饰
众所周知，氧化应激会诱导生物分子（包括核酸、蛋白质、脂质和糖类）的共价修饰，导致功能丧失。自然，病毒分子也可以通过氧化还原介导的变化调控其功能和活性。就如，甲病毒 nsP1 和黄病毒 NS5 蛋白的鸟苷酸转移酶活性在氧化条件下增强，导致 RNA 加帽活性增加和 RNA 基因组复制增加。据预测，氧化还原反应还会通过影响两种蛋白中二硫键的形成，显著影响SARS-Cov2刺突蛋白与其受体血管紧张素转换酶2（ACE2）的结合亲和力。此外，SUMO化修饰也是一种氧化应激调节的翻译后修饰。传染性鲑鱼贫血（ISA）病毒核衣壳（NP）诱导的ROS升高导致该蛋白的SUMO化。据报道，对EV-A71的RNA依赖性RNA聚合酶3D和蛋白酶3C进行SUMO修饰也可对其活性进行调节。
宿主信号的通路调制
ROS介导的宿主信号通路调节已被病毒利用其自身增殖。EV-A71就是一个典型的例子。近年来，研究发现，ROS水平增加促进了EV-A71的复制，这与SIRT1表达降低、核因子红细胞2相关因子2（Nrf2）表达降低、NF-κB和JNK信号转导增加以及内质网应激/自噬信号通路的诱导有关，所有这些都可以通过ROS清除，导致病毒复制减少。HCV是另一种病毒的例子，HCV NS5A蛋白通过ROS介导的NF-κB信号转导激活死亡受体6（Death Receptor 6， DR6）的表达，抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）和NF-κB抑制剂SN50可消除这种信号转导，NS6A和DR6之间的相互作用对感染性病毒的产生至关重要，通过抑制DR40抑制AKT介导的存活信号传导的能力，从而允许HCV在不引发细胞死亡的情况下复制。
病毒如何控制ROS水平
增加抗氧化能力和控制脂质过氧化
在稳定转染人瘤病毒 （HPV） E7 蛋白的细胞中测量过氧化氢酶表达和活性增加，使细胞对 H2O2更具抵抗力从而诱导细胞死亡。同样，HCV蛋白NS5A通过激活p38 MAPK、JNK和AP-1参与Mn-SOD表达增加。
脂质过氧化导致脂质过氧化物和具有细胞毒性的活性醛的形成，导致膜功能障碍并改变DNA和蛋白质的结构和功能。研究发现，HCV产生的NS5A可诱导谷胱甘肽过氧化物酶4（GPx4）的产生，从而减少脂质过氧化物，因此有助于限制脂质过氧化物掺入新形成的病毒粒子中。
ROS产生的双相调控
据报道，ROS产生的双相调节是利用细胞氧化还原反应的另一种病毒策略。例如，人巨细胞病毒已被证明在感染的早期阶段诱导ROS的产生，但之后它会增加GSH的合成以拮抗氧化应激，从而维持mTORC1活性，这对细胞生长和增殖至关重要。同样，在使用人肝细胞Huh 7.5细胞系的HCV感染模型中，氧化应激的增加与HCV增殖和细胞凋亡活性有关，随后参与GSH合成和再生的代谢酶表达增加，导致HCV增殖降低，从而有利于病毒复制。因此，这一发现表明，HCV可以通过调节氧化还原来控制其复制，从而控制感染状态（急性或慢性）。
通过代谢开关控制ROS的产生
代谢重编程长期以来一直被认为是一种病毒策略，可产生病毒增殖所需的代谢物。据报道，HBV、HCV、HIV-1和SARS-CoV2等几种病毒会诱导代谢转向有氧糖酵解。有氧糖酵解也可能代表一种策略，通过该策略，病毒将燃料从氧化磷酸化中转移，来避免mtROS的过量产生。敲除关键的糖酵解酶乳酸脱氢酶A（LDHA）导致丙酮酸在线粒体中积累并促进氧化应激。
病毒如何控制mtROS诱导细胞死亡
氧化应激已被认为启动凋亡途径的刺激因素之一。在此过程中，触发线粒体外膜通透化（MOMP），导致细胞色素C和HtrA2/Omi的释放（图2）。细胞色素c 以 ATP 依赖性方式结合并激活凋亡蛋白酶激活因子1。由此产生的凋亡体复合物促进caspase-9 剪切，从而激活下游caspase-3，导致细胞凋亡。SMAC/Diablo 和HtrA2/Omi 是拮抗细胞凋亡蛋白 （IAP） 抑制剂，解除半胱天冬酶活性的抑制，从而增强细胞死亡。
图2.内在凋亡途径的病毒调节
病毒可以通过直接调节半胱天冬酶活性 （A） 或拮抗 （B） 或抑制 （C） 促凋亡 Bcl-2 蛋白来抑制细胞凋亡。或者，病毒可以通过促进 BAK 和 BAX 的激活 （D） 或通过促进线粒体通透和细胞色素 c 的释放 （E） 来诱导细胞凋亡。病毒还可以通过解除 Apaf-1 抑制 （F） 或增加宿主对促凋亡因子（如 Apaf-1（G））的翻译来增加凋亡敏感性
线粒体外膜通透性导致的促凋亡因子的释放受Bcl-2家族蛋白的调控，可分为抗凋亡成员(Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1）和促凋亡成员(Bax、Bak、Bid和Bad)（图2）。许多病毒为防止宿主细胞过早凋亡而采用的一种值得注意的保守策略是拮抗促凋亡的Bcl-2蛋白。
腺病毒E1B 19K是最早发现的病毒性Bcl-2拮抗剂之一。E1B 19K在功能上与Bcl-2互补，并通过与促凋亡蛋白Bak相互作用抑制p53依赖性细胞凋亡，阻止Bax-Bak在线粒体膜上的组装。E1B 19K 还与 Bik/Nbk结合，从而破坏 Bak/Mcl-1 和 Bak/Bcl-xL 相互作用，进一步抑制线粒体依赖性内在细胞凋亡。E1B 19K 对促凋亡蛋白的拮抗作用延长了宿主细胞的活性，从而为病毒成熟提供了足够的时间完成。
总 结
综上所述，病毒已经设计了复杂且精心策划的策略来与多种线粒体成分相互作用，以支持其细胞内生命周期。包括操纵氧化还原代谢，以及线粒体的完整性和功能。因此，抗氧化治疗已成为一种很有前途的抗病毒策略，但需要更深入地了解氧化还原反应如何调节病毒蛋白活性以及病毒如何保护其成分免受有害氧化变化，可能会开辟新的治疗途径。
参考文献：Foo J, Bellot G, Pervaiz S, Alonso S. Mitochondria-mediated oxidative stress during viral infection. Trends Microbiol. 2022;30(7):679-692. doi:10.1016/j.tim.2021.12.011