SARS-CoV-2刺突蛋白乳酸化修饰促进病毒感染的机制与干预研究

本刊推荐：为探究SARS-CoV-2入侵宿主的新机制，研究团队聚焦刺突蛋白(S protein)的乳酸化修饰(PTM)功能。研究发现S蛋白在K424/K776/K1028位点发生乳酸化，通过增强与ACE2受体和TMPRSS2蛋白酶的结合能力，显著提升病毒膜融合效率和感染性。乳酸化抑制剂可有效抑制病毒复制并缓解小鼠肺部损伤，为抗病毒策略提供新靶点。

新型冠状病毒（SARS-CoV-2）利用其表面的刺突蛋白（S蛋白）与宿主细胞表面的血管紧张素转换酶2（ACE2）受体结合，进而介导病毒入侵，这一过程是COVID-19发病机制的核心环节。S蛋白在宿主蛋白酶（如TMPRSS2）作用下切割为S1与S2亚基，分别负责受体结合和膜融合。此前研究已发现该蛋白存在棕榈酰化等翻译后修饰（PTM），可增强病毒 infectivity（感染性），然而是否还存在其他调控病毒入侵的PTM尚不明确。

2019年，蛋白质乳酸化（lactylation）修饰首次在组蛋白上被发现，后续研究逐步揭示其在非组蛋白中也广泛存在，并在病毒感染与复制中扮演关键角色。SARS-CoV-2感染会导致宿主细胞内乳酸积累，并引起肌肉酸痛等临床症状，提示乳酸代谢可能与病毒致病机制相关。但病毒蛋白是否发生乳酸化、该修饰是否影响病毒感染，仍属未知。

为此，研究人员在《Signal Transduction and Targeted Therapy》发表最新研究，系统阐述了SARS-CoV-2 S蛋白的乳酸化修饰及其功能机制。他们发现，S蛋白在K424、K776和K1028三个关键位点发生乳酸化，该修饰显著增强病毒与ACE2和TMPRSS2的结合能力，从而促进膜融合和病毒入侵。研究进一步证实，通过糖酵解抑制剂2-DG或乳酸脱氢酶（LDH）抑制剂oxamate干预乳酸化，可有效抑制病毒复制，并在小鼠模型中显著减轻肺部病理损伤。该研究不仅揭示了一种新的病毒调控机制，也为抗病毒治疗提供了潜在新策略。

在方法学方面，作者运用了多种关键技术：包括免疫共沉淀（Co-IP）和Western Blot（WB）检测蛋白乳酸化水平；质谱分析（MS）鉴定具体修饰位点；构建S蛋白突变体（K424R/K776R/K1028R及三突变体3KR）并在假病毒系统中评估其感染效率；使用荧光显微镜观察细胞融合情况；利用小鼠适应株SARS-CoV-2进行体内感染实验并检测肺组织病毒载量与病理变化。

研究结果主要包括以下方面：

Lactylation occurs on the S protein of SARS-CoV-2

研究人员首先在HEK293T细胞中表达SARS-CoV-2的四种结构蛋白，发现S蛋白可发生乳酸化修饰。外源性乳酸（NaLa）处理可增强该修饰，而糖酵解抑制剂2-DG或LDH抑制剂oxamate则降低其乳酸化水平。质谱分析进一步鉴定出K424、K776和K1028为关键乳酸化位点，突变这些位点（尤其是三突变体3KR）显著削弱乳酸化修饰。

S lactylation is essential for the infectivity of SARS-CoV-2 pseudoviruses

利用携带S野生型（S-WT）或突变体的假病毒感染HEK293T-ACE2细胞，发现突变体假病毒的荧光素酶活性显著降低，说明乳酸化缺陷削弱病毒入侵能力。NaLa处理促进病毒复制，而2-DG和oxamate则抑制病毒复制，证实乳酸化水平与病毒感染性正相关。

Inhibition of lactylation alleviates viral pathogenicity in vivo

用oxamate处理BalB/c小鼠后再感染小鼠适应型SARS-CoV-2，结果显示抑制剂处理组小鼠体重恢复更快，肺组织中病毒载量（M、N、E基因mRNA水平）显著降低，肺组织病理损伤也明显减轻。表明抑制乳酸化可有效缓解病毒感染引起的病理症状。

S-lactylation is crucial for S-mediated membrane fusion

细胞融合实验显示，S-WT可有效介导细胞间融合，而乳酸化位点突变体融合面积显著减少。NaLa处理增强S-WT的融合能力，但对突变体无显著影响。说明乳酸化修饰是S蛋白介导膜融合的关键机制。

S mutants show reduced binding to ACE2 and TMPRSS2

Co-IP实验表明，与S-WT相比，突变体（尤其是K424R）与ACE2的结合能力减弱；而K776R与K1028R突变体则显著削弱与TMPRSS2的互作。提示乳酸化可能通过中和关键电荷、改变蛋白构象，增强S蛋白与宿主因子的亲和力。

该研究得出结论：乳酸化是SARS-CoV-2 S蛋白的一种新型PTM，通过促进S蛋白与ACE2和TMPRSS2的相互作用增强病毒入侵能力。抑制该修饰可显著降低病毒 infectivity，缓解体内感染症状。尽管研究发现乳酸化与乙酰化等PTM可能存在交叉对话，该工作仍首次系统揭示了乳酸化在SARS-CoV-2感染中的关键作用，为开发以乳酸化酶为靶点的抗病毒策略提供了理论依据和实验基础。