Nature: 细菌可帮助我们发现和生产抗病毒药物

世界著名专业杂志《Nature》于2018年和2021年发表的两篇开创性的研究论文，提出了从细菌中提取抗病毒药物的全新概念。目前的研究可能揭示一条新的研究途径，有助于发现多种抗病毒分子，用于人类病毒感染的临床治疗。

环境中的细菌长期以来一直被用于发现和鉴定新型抗生素。将近百年来，各类抗生素在细菌性疾病的治疗方面发挥了重大作用。而对于各种病毒性疾病，目前主要的控制手段是接种疫苗。多数病毒性疾病只能用疫苗预防而不能有效治疗，或治疗效果不理想。人类非常需要有更多能用于直接有效治疗病毒性疾病的药物。目前临床使用的许多抗病毒药物都是DNA或RNA链复制的终止剂，包括治疗疱疹病毒的阿昔洛韦（acyclovir）、治疗HIV的AZT (叠氮胸苷，azidothymidine)和治疗丙型肝炎病毒感染的索非布韦（sofosbuvir）。近几年来，已提出了从细菌中提取抗病毒药物的全新的概念。目前的研究可能揭示一条新的研究途径，有助于发现多种抗病毒分子，用于人类病毒感染的临床治疗。

抗病毒药物是一类在病毒复制周期的不同阶段抑制病毒复制的药物。一类抗病毒药物是被称为链终止子（chain terminators）的小分子，当它们被添加到正在复制的DNA或RNA链的末端后，就能阻止任何后续核苷酸的添加，从而会终止DNA或RNA的复制。

单个RNA核苷酸包含核糖，核糖通过1’ 位的碳原子连接到4种不同的碱基(腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶或尿嘧啶)中的一种，通过5’ 位的碳原子连接到3个磷酸基团。例如，核苷酸胞苷三磷酸(CTP)中的核糖连接到一个三磷酸基团和一个胞嘧啶碱基(参见左侧图)。将CTP添加到正在复制的RNA链末端，会导致其中的两个磷酸基团丢失，并使剩余的磷酸基团连接到链中前面一个核苷酸的核糖3’位碳原子的羟基(OH)上。如果在一个核苷酸核糖的 3’位碳原子上缺少羟基(参见右侧图)，将会阻止下一个核苷酸的结合，从而使那个核苷酸成为链上的最后一个。

人类病毒感染可诱导干扰素的产生，干扰素进一步刺激其他基因的表达，其中之一是viperin(蝰蛇毒素：病毒抑制蛋白，内质网相关，可诱导干扰素)。近年来的研究表明，viperin可以催化CTP转化为3’-脱氧-3’,4’ -双脱氢(ddh)-胞苷三磷酸(ddhCTP)(参见右侧图)（参考文献１）。顾名思义，ddhCTP核糖的3’ 位碳上没有羟基，因此它是一个链终止子。在人类细胞中，viperin将CTP转化为ddhCTP可产生广泛的抗病毒活性，对抗各种病毒，包括人类巨细胞病毒、西尼罗河病毒、登革病毒、丙型肝炎病毒和HIV，而对宿主DNA复制没有任何毒性作用。

  一些细菌和古细菌编码的基因与脊椎动物viperin有显著的序列相似性;然而，直到最近，他们的作用还不清楚。由于viperin在人类细胞中具有抗病毒的作用，最近《Nature》发表的一篇文章（参考文献２）旨在确定原核生物来源的viperin（蝰蛇毒素）是否参与了对感染细菌的病毒的防御，这种病毒被称为噬菌体(bacteriophages或简称phages)。由于知道编码抗病毒防御蛋白的基因在原核生物基因组中倾向于聚集在一起，作者在各种细菌和古细菌基因组中寻找这种聚集的存在。他们发现，虽然大多数viperin类似基因簇并没有与防御基因位于相同区域，但同一簇中60%的基因与编码CRISPR-Cas系统、限制酶和其他涉及细菌防御的基因的位置是邻近的。

为了解这些聚集（簇）中的原核viperin类似基因是否编码具有抗病毒活性的蛋白质(简称pVip),作者克隆了59种这类pVip基因，导入大肠杆菌，置于可诱导启动子的控制下,使它们的表达可开启或关闭。这些可产生pVip的大肠杆菌在用一系列噬菌体感染后，结果显示受测试的pVip中大约有一半都对噬菌体有抑制活性。大部分pVip对噬菌体T7有抑制作用，但也有部分pVip对P1、lambda、SECphi6和SECphi18噬菌体有抑制作用，而对细菌宿主细胞无毒性作用。令人惊讶的是，当在相同条件下在大肠杆菌中表达人类viperin时，它提供了针对T7噬菌体感染的保护，这表明viperin和类似viperin的基因产物的抗病毒功能是高度保守的。

接下来，作者想要确定pvip是否像人类viperins一样可催化ddhCTP的产生。假设从产生pvip的大肠杆菌中提取的具有抗噬菌体活性的小分子片段包括修饰过的核苷酸，作者通过质谱仪分析了大肠杆菌裂解液，这种技术可以揭示裂解液中的分子和其他化合物的化学特性。然后，他们将从产生pVip的细胞中识别出的小分子与从含有人类viperins的大肠杆菌中获得的分子进行了比较。这一分析表明，生产类似原核viperins分子的细胞中含有包括ddhCTP在内的CTP衍生物，而另一些细胞中则没有，这表明只有某些viperins能催化ddhCTP的产生。然而，某些原核viperins似乎能产生其他核苷酸，如CTP、GTP和UTP的修饰过的ddh衍生物。总的来说，这些结果表明，原核viperins像人类viperins一样能产生抗病毒核苷酸。

参考文献：

1.　Gizzi, A.S., Grove, T.L., Arnold, J.J. et al. A naturally occurring antiviral ribonucleotide encoded by the human genome. Nature 558, 610–614 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0238-4  

2.　Bernheim, A., Millman, A., Ofir, G. et al. Prokaryotic viperins produce diverse antiviral molecules. Nature 589, 120–124 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2762-2