Nat. Biotechnol. | 一个综合的SARS-CoV-2-human蛋白-蛋白相互作用组

作者 | 金小程 指导 | 闵小平（厦门大学）今天给大家介绍的是美国基因组医学研究所，勒纳研究所，克利夫兰诊所及美国纽约州伊萨卡康奈尔大学威尔细胞与分子生物学研究所等机构在nature biotechnology上发表的文章《A comprehensive SARS-CoV-2–human protein–protein interactome reveals COVID-19 pathobiology and potential host herapeutic targets》,在文章中作者使用高通量酵母双杂交实验和质谱生成由739种高置信度二元和共复相互作用组成的一个综合SARS-CoV-2-human蛋白质-蛋白质相互作用组（PPI）网络，用于验证已知的宿主因子及揭示了新的宿主因子。并基于网络筛选了2900种FDA批准的药物，确定了23种与SARS-CoV-2宿主因素具有显著网络接近度的药物。该研究研究证明了网络系统生物学对理解人类-病毒相互作用的价值，并为进一步研究COVID-19治疗提供了成功的机会。

1 研究背景 新型冠状病毒肺炎大流行的严重性突出表明了急需进一步了解病毒与宿主相互作用。病毒侵入机体与体内细胞内蛋白质相互作用，从而干扰了宿主机制，促进病毒复制和逃避免疫反应。蛋白质通过与其相互作用的蛋白结合后发挥作用。这种相互作用可以揭示受病毒蛋白质组影响的生物学途径和过程，从而可以发现新的药物靶标。

2 研究方法 本研究利用高通量酵母双杂交 (Y2H) 和TMT-AP-MS（串联质谱量标签亲和纯化，再进行质谱分析）生成二元和共复合物SARS-CoV-2-human PPI网络。Y2H和AP-MS是仅有的两种可用于在蛋白质组量表上定位PPI网络的方法，两者一起可以提供有关相互作用的拓扑和生物学特性的更全面的视图。

3 结果 综合SARS-CoV-2-human蛋白质-蛋白质相互作用组 高通量Y2H筛选系统：测试了28种SARS-CoV-2蛋白质与16000种人类蛋白质的所有成对组合 ，生成二元SARS-CoV-2-human蛋白质-蛋白质相互作用组（图一）。 Y2H筛选报告了总共299个高质量的二元SARS-CoV-2-human相互作用组，其中267个是本研究中该测定法所独有的。

图一：使用Y2H和ap-ms检测SARS-CoV-2-human蛋白质-蛋白质相互作用的管道。

SARS-CoV-2蛋白中的每一种，以使用TMT-AP–MS蛋白质组学鉴定病毒-宿主共复合物相互作用 (图一)。通过AP–MS报告了总共472种高置信SARS-CoV-2-human PPI，其中440种是本研究中该测定法所独有的。正交方法产生了由28个病毒和579宿主蛋白之间的739相互作用组成的网络。

如下图（图二）是网络可视化SARS-CoV-2-human的蛋白质-蛋白质相互作用组。

图二：可视化SARS-CoV-2-human的蛋白质-蛋白质相互作用组。

相互作用组的覆盖范围和质量 与公开的SARS-CoV-2-humanPPI网络相比，本相互作用组验证了先前报道的218 (38%) 人类宿主因子并提供了361 (62%) 新发现的人类宿主因子。同时，本研究相互作用组富含了一些与疾病相关的途径和生物学过程，这些途径和生物学过程比以前的相互作用组丰富。通过Y2H和TMT-ap-ms蛋白质组学平台鉴定的SARS-CoV-2宿主因子具有高度的进化保守性，与以前的研究一致。

相互作用组识别潜在新型冠状病毒肺炎病理生物学 相互作用组揭示了ZNF579结合的靶标中存在已知在SARS-CoV-2感染中失调的基因的显著富集。这些重叠的基因参与了多种与疾病相关的途径 。多功能SARS-CoV-2辅助蛋白ORF3a可以诱导HSPA6的表达， ZNF579通常可能在HSPA6启动子上发挥抑制活性。本研究同时也假设OST和Sec61也可能参与SARS-COV-2复制和/或宿主免疫反应，为宿主靶向治疗的发展提供潜在的靶标。

4 新型冠状病毒肺炎宿主靶向疗法的发现 使用新发现的相互作用组网络对超过2900种FDA批准或研究药物进行了药物筛选。获得了189种与SARS-CoV-2宿主因素的网络接近度显著接近的药物的清单，其中44种进行了SARS-CoV-2的临床试验。评估了每种药物所需的抗病毒特性。获得具有与SARS-CoV-2宿主因子显著的网络接近性以及期望的anti-SARS-CoV-2活性的23种药物的精选列表。

5 相互作用组预测药物的验证 本研究最终确定了两种顶级候选药物，卡维地洛 (Z =-2.195，FDR = 0.03) 和氢氯噻嗪 (Z =-2.428，FDR = 0.005)，它们最初被批准用于治疗高血压。通过使用基于大规模电子健康记录 (EHR) 数据的最先进的主动用户设计方法，通过两种数据集的验证，发现卡维地洛与新型冠状病毒肺炎阳性风险显着降低相关（图三）。

图三：基于人群和相互作用预测药物的实验验证

通过实验验证，卡维地洛显示出底细胞毒性，能够抑制SARS-CoV-2感染，EC50值为4.1 µ m (图三)。通过对卡维地洛和SARS-CoV-2宿主因子的靶标进行了药物-靶标网络分析，发现卡维地洛可能通过PPIs及其靶标潜在地影响SARS-CoV-2宿主因子 。

6 总结 本研究生成了一个综合的网络，验证已发现的宿主因子，并发现了新的宿主因子，该网络揭示了多种与病毒病理生理学有关的宿主因子，并利用该网络确定卡维地洛和氢氯噻嗪是新型冠状病毒肺炎的潜在宿主靶向治疗。 参考资料 Zhou Y, Liu Y, Gupta S, Paramo MI, Hou Y, Mao C, Luo Y, Judd J, Wierbowski S, Bertolotti M, Nerkar M, Jehi L, Drayman N, Nicolaescu V, Gula H, Tay S, Randall G, Wang P, Lis JT, Feschotte C, Erzurum SC, Cheng F, Yu H. A comprehensive SARS-CoV-2-human protein-protein interactome reveals COVID-19 pathobiology and potential host therapeutic targets. Nat Biotechnol. 2022 Oct 10. doi: 10.1038/s41587-022-01474-0. Epub ahead of print. PMID: 36217030.