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Ⅰ型和Ⅲ型干扰素在SARS-CoV-2感染中的反应

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发表时间:2021-05-07 09:49作者:武汉新启迪Xinqidibio

摘要

冠状病毒病2019(新冠肺炎)是由严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)感染引起的大流行疾病。I型和III型干扰素(IFN)是一种天生的细胞因子,在第一线防御病毒的过程中起着重要的作用。与许多其他病毒一样,SARS-CoV-2已经在多个层次上进化出逃避I型和III型IFN抗病毒作用的机制,包括诱导IFN表达和细胞对IFN的反应。本文综述了SARS-CoV-2的先天感觉机制以及SARS-CoV-2逃避Ⅰ型和Ⅲ型IFN反应的机制。我们还讨论了关于严重新冠肺炎患者I型干扰素应答受损和强健的矛盾报道。最后,我们讨论了延迟但夸大的I型干扰素反应如何会加重炎症并导致新冠肺炎的严重进展。

导言

引起冠状病毒病2019(新冠肺炎)的严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(sars-cov-2)正在全球传播。1,2。世界卫生组织宣布新冠肺炎大流行,截至2020年12月20日,全世界已报告超过7600万例确诊病例和160万人死亡。Sars-cov-2感染可导致广泛的临床表现,从无症状或轻微疾病到严重疾病。3,4。新冠肺炎的死亡率虽然低于sars-cov引起的严重急性呼吸系统综合症(sars-cov)和由mers-cov引起的中东呼吸综合征(mers-cov)所致的严重急性呼吸综合征(Sars),但远高于流感。5,6。需要更好地了解SARS-CoV-2的免疫反应,以制定有效的治疗策略。

干扰素(IFN)是多种细胞分泌的多功能细胞因子。尤其是I型和III型IFNs在病毒感染过程中的天然免疫应答中起着至关重要的作用。然而,许多病毒,包括SARS-CoV-2,已知在不同的点抑制Ⅰ型和Ⅲ型干扰素的应答,从细胞因子的产生到受体信号。此外,调节失调的IFN反应与病毒感染的免疫发病机制有关。5.

本文综述了SARS-CoV-2的先天感觉机制和SARS-CoV-2介导的抑制IFN反应的机制.我们还讨论了新冠肺炎患者炎症过程中IFN反应失调的问题。最后,我们提出了一种假设,即延迟但夸大的I型IFN反应如何导致新冠肺炎的严重进展。

IFN和信号

干扰素最初被认为是抑制病毒感染的分泌因子,分为三类:Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型干扰素由多种干扰素-α亚型和一种干扰素-β亚型组成,另有特征较差的干扰素-δ,-ε,-κ,-τ,-ω和-ζ。相比之下,II型干扰素组只有一个成员,即干扰素-γ,它由自然杀伤细胞和T细胞分泌,但不直接由病毒感染的细胞分泌,因此在本综述中未作进一步描述。Ⅲ型干扰素与IL-10家族细胞因子有结构关系,包括IFN-λ1(IL-29)、-λ2(IL-28A)、-λ3(IL-28B)和-λ4。7,8,9。IFN-β和IFN-λs可由任何类型的细胞在病毒感染时分泌,而IFN-αs一般由免疫细胞产生,特别是单核细胞和树突状细胞(DC)。

Ⅰ型IFNs结合IFNAR 1和IFNAR 2的异二聚体受体复合物,激活受体相关的酪氨酸激酶TYK 2和JAK 1,后者反过来磷酸化STAT 1和STAT 2。7,8,9。与IRF 9一起,磷酸化的STAT 1和STAT 2形成一个三聚体复合体,称为IFN刺激基因因子3(ISGF 3),随后进入细胞核,与IFN刺激的反应元件(Isres)结合,并促进数百个IFN刺激基因(ISGS)的转录。1)。ISG的一个子群也可以被未磷酸化的ISGF 3所上调,而ISGF 3是由高水平的非磷酸化STAT 1、非磷酸化STAT 2和IRF 9组成的。10,11。许多ISG通过多种机制直接抑制病毒的复制,包括抑制病毒的转录/翻译和病毒核酸的降解。Ⅰ型干扰素受体的激活也能促进STAT 1的同聚,从而结合γ激活序列(Gass),诱导促炎基因的表达。7。Ⅱ型干扰素受体由IFNGR 1和IFNGR 2组成,通过JAK 1和JAK 2信号,以及IFN-γ结合的IFNGR 1/2促进STAT 1的磷酸化和同源化,从而实现气体调节基因的表达。

图1:Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型干扰素(IFN)的受体和下游信号通路。
figure1

Ⅰ型和Ⅲ型IFNs分别与异二聚体受体复合物IFNAR 1/IFNAR 2和IFNLR 1/IL-10Rβ结合。干扰素结合后,受体相关激酶JAK 1和TYK 2磷酸化STAT 1和STAT 2。与IRF 9一起,磷酸化的STAT 1和STAT 2形成一个三聚体复合物,称为IFN刺激的基因因子3(ISGF 3)。ISGF 3随后进入细胞核,与IFN刺激的反应元件(Isres)结合,促进数百个IFN刺激基因(ISGS)的转录。Ⅱ型IFN与IFNGR 1和IFNGR 2组成的受体复合物结合,通过JAK 1和JAK 2促进STAT 1磷酸化。磷酸化的STAT 1形成同源二聚体,与细胞核内的γ激活序列(Gass)结合,诱导促炎基因的表达。与III型IFNs不同,I型IFNs也能通过STAT 1同源二聚体信号,促进促炎基因的表达。

Ⅲ型干扰素受体由IFNLR 1(又称IL-28Rα)和IL-10R2组成。IFNLR 1特异性结合IFN-λs,而IL-10R2结合则为IL-10家族中的其他细胞因子所共有。与Ⅰ型IFN受体相似,Ⅲ型IFN受体通过JAK 1和TYK 2信号,通过ISGF 3诱导ISG表达。因此,尽管有独特的受体,Ⅰ型和Ⅲ型IFNs激活重叠的细胞内信号通路,并介导类似的ISG的诱导。然而,病毒感染诱导的Ⅰ型和Ⅲ型IFNs在体内的表达动力学不同,Ⅰ型IFNs的产生通常早于III型IFNs。此外,Ⅲ型干扰素受体的表达一般仅限于上皮细胞和髓系白细胞亚群,而Ⅰ型干扰素受体则普遍表达。8。不同的受体表达模式以及受体信号的定性和定量变化最终导致了对Ⅰ型和Ⅲ型IFN的独特的生物学反应。一般来说,I型IFNs比Ⅲ型IFN能更快更强地诱导ISG,并促进促炎细胞因子和趋化因子的额外表达,这可能在I型IFNs过度反应不受限制的情况下引起免疫病理。8,12.

先天性冠状病毒

冠状病毒的单链RNA(Ssrna)基因组约为30 kb。13,14。在受感染的宿主细胞内,病毒基因组由病毒编码的RNA依赖的RNA聚合酶复制,形成双链RNA(DsRNA)复制中间体。单链RNA基因组和dsRNA复制中间体可以被宿主细胞中的Toll样受体(TLRs)和类钻机I受体(RLRs)所感知。2)。RLRs,如RLR-I和MDA-5,在大多数细胞类型中都有表达,并通过检测细胞质中的病毒RNA而激活。RIP-I识别带有5‘-三磷酸或短dsRNA序列的病毒基因组RNA,而mda-5通常检测长度较长的dsRNA结构。15。激活的钻机-I和MDA-5通过适配器分子Mavs(也称为IPS-1,VISA,或心脏因子)来激活TRAF 3,激活激酶TBK 1和IKKε,最终导致IRF 3的磷酸化和I型和III型IFN的转录诱导。有趣的是,小牛蛋白在细胞内的位置决定了产生哪种干扰素。16。Mavs在线粒体膜上优先介导Ⅰ型IFN的合成,而III型IFNs的表达依赖于Mavs定位于过氧化物酶体。因此,肠上皮细胞分化过程中过氧化物酶体丰度的增加与干扰素-λs的增加有关,而与IFN-β无关。16。目前还不完全清楚Mavs如何根据其亚细胞定位来介导Ⅰ型和Ⅲ型IFN的选择性表达,但表明除了IRF 3之外,III型而不是I型IFNs的表达需要IRF 1的激活。16.

图2:天然免疫受体和信号通路对SARS-CoV-2的感应,导致Ⅰ型和Ⅲ型干扰素的产生。

用Toll样受体(TLR 3和TLR 7)和胞浆RNA传感器(钻机-I和MDA-5)可以检测SARS-CoV-2的病毒RNA基因组和复制中间体。RNA结合受体诱导转录因子NFκB和IRF 3/IRF 7分别通过TRAF 6/IKKα/β/γ和TRAF3-TBK 1/IKKε途径激活,促进Ⅰ型和Ⅲ型干扰素的表达。

与位于细胞质中的RLRs相比,TLRs感觉内小体或吞噬体中的病毒内化或吞噬。与广泛表达的rlrs不同,TLRs在髓系细胞中表现出限制性表达模式,且在髓系细胞中表达最高。15。在10种人TLR中,TLR 3识别dsRNA,TLR 7和TLR 8检测ssRNA。TLR 3、TLR 7、TLR 8和TLR 9(识别非甲基化cpG dna)等核苷酸敏感TLRs的内质体定位依赖于多膜蛋白cd1。17。配体刺激的TLR在其C-末端Toll-白介素受体结构域上激活胞质适配器分子MYD 88和TRIF,激活IKKα/β/γ复合物和TBK 1/IKKε激酶,最终诱导NFκB依赖性促炎细胞因子和IRF 3/IRF 7依赖的Ⅰ型和Ⅲ型IFN。

用小鼠适应的sars-cov进行的实验表明,缺乏tLR 3或信号适配器trif的小鼠比野生型小鼠更易受病毒所致肺病理的影响,并保持较高的病毒滴度。18。同样,缺乏tLR 4的小鼠和信号适配器tram更容易感染小鼠适应的sars-cov。18。然而,与能够感知病毒RNA的TLR 3不同,目前尚不清楚TLR 4是否能直接感知冠状病毒的成分。

到目前为止,基因研究已经提供了与SARS-CoV-2感染有关的TLRs的证据.一项大型研究涉及650多名有严重症状的新冠肺炎患者。TLR 3联合国赔偿委员会93B119。在体外感染sars-cov-2时,突变体患者的细胞内感染较多。TLR 3野生型健康对照细胞中等位基因的分布TLR 3。外源性干扰素-β的加入在很大程度上消除了SARS-CoV-2感染效率的差异,提示在TLR 3介导的SARS-CoV-2敏感反应中产生的IFN-β抑制了病毒的传播。另一项针对严重新冠肺炎的年轻患者的基因研究发现了两种罕见的突变TLR 7来自两个不相关家庭的四名年轻男性20。再一次,来自受影响患者的细胞TLR 7TLR 7刺激后,突变出现缺陷的IFN-β和ISG表达。值得注意的是,TLR 7是一个X-连锁基因,而失去功能的突变TLR 7或者是TLR 7男性和女性之间的基因剂量至少在一定程度上可以解释男性患上严重新冠肺炎的倾向。20,21.

冠状病毒抑制干扰素应答

人类普通冷冠状病毒,如HCoV-229E,可诱导高水平的I型干扰素表达,而更具致病性和潜在致命性的冠状病毒SARS-CoV、SARS-CoV-2和MERS-CoV通常会诱导减弱的I型IFN应答。自从首次爆发sars以来,多项研究表明sars-cov和mers-cov使用各种机制来避免Ⅰ型IFN介导的免疫反应。13,22,23,24,25。SARS-CoV基因组编码4种结构蛋白(S、E、膜[M]和核衣壳蛋白[N])、16种非结构蛋白(NSPS)和其他辅助蛋白。值得注意的是,超过三分之一的sars-cov蛋白,包括结构蛋白,对Ⅰ型干扰素介导的抗病毒免疫反应有抑制作用。13,22,23,24,25。Sars-cov-2基因组与sars-cov基因组有82%的同源性,大部分sars-cov-2蛋白与相应的sars-cov蛋白有较高的氨基酸序列同源性,Orf3b、orf 6和nsp 3除外。14。在sars-cov-2中ORF3b要短得多,只有22个氨基酸,而在sars-cov中只有154个氨基酸。14。在sars-cov和sars-cov-2之间,ORF 6和nsp 3蛋白的同源性分别为69%和76%。26。因此,许多SARS-CoV-2蛋白对Ⅰ型和Ⅲ型IFN反应的抑制作用与SARS-CoV蛋白相似。在新冠肺炎大流行开始不到一年的时间里,一些报道已经证实了SARS-CoV-2蛋白对干扰素反应的拮抗作用。

逃避天然免疫受体介导的病毒传感

Sars-cov-2和其他冠状病毒在双膜囊泡内复制,阻止细胞内rlrs识别dsrna复制中间体。27。此外,具有鸟嘌呤-N7-甲基转移酶活性的sars-cov的nsp 14对病毒RNA的修饰模拟了宿主mRNAs的5‘帽结构,使病毒rna能够有效地逃避rig-i检测到的病毒RNA。28,29。Nsp 16进一步修饰病毒RNA的帽状结构,该结构具有2‘-O-甲基转移酶活性,可阻止mda-5介导的病毒RNA传感。29。Nsp 15是所有已知冠状病毒中高度保守的内切酶,从负性病毒rna中切割5‘-聚尿苷序列,抑制mda-5介导的病毒rna的检测和随后的β生成。30.

天然免疫受体信号通路的抑制与IFN的产生

Sars-cov和mers-cov N蛋白结合到e3泛素连接酶TRIM 25的spry结构域,抑制TRIM 25介导的rip-i泛素化和活化,从而阻断Ⅰ型IFNs的产生,增加病毒的复制。31.

已证实sars-cov的orf9b蛋白定位于线粒体,启动aip 4 e3泛素连接酶介导的mavs降解,并抑制β的产生。32。利用HEK293T细胞对个体sars-cov-2蛋白的宿主蛋白相互作用的研究表明,sars-cov-2 ORF9b与线粒体TOM 70相关,提示sars-cov-2的ORF9b也可能抑制线粒体中的mavs。33。通过ORF9b过表达实验进一步证实了ORF9b-TOM 70相互作用和ORF9b介导的对IFN-β表达的抑制作用。34。此外,宿主蛋白相互作用的研究表明Nsp 13和Nsp 15分别与TBK 1和TBK 1激活剂RNF 41相互作用,提示Nsp 13和Nsp 15可能抑制TBK 1介导的信号传导。33.

Sars-cov和sars-cov-2的nsp 3蛋白具有类木瓜蛋白酶活性。35。有趣的是,这些蛋白质还可以识别泛素和泛素样修饰剂isg 15,并作为去泛素和去泛素化酶。Sars-cov nsp 3从TRAF 3和TRAF 6中去除k63连接的泛素链,已被证明抑制tbk 1的活化和tLR 7的产生。35。Sars-cov nsp 3还被证明通过干扰sting-trf 3-tbk 1相互作用和irf 3磷酸化来抑制sars-cov nsp 3介导的Ⅰ型干扰素的产生。36,37,38。Sars-cov和sars-cov-2 nsp3蛋白有83%的同源性,但宿主底物偏好不同;sars-cov nsp 3主要针对泛素链,sars-cov-2 nsp3优先切割isg 15。39。SARS-CoV-2NSP3与ISG 15配合物的晶体结构显示,NSP 3与ISG 15的氨基端泛素样结构域有明显的相互作用,突出了这些相互作用的高度亲和力和特异性。此外,在病毒感染时,sars-cov-2 nsp3参与了irf 3的isg 15的切割,并减弱了Ⅰ型IFN的应答。39。值得注意的是,用特异性的小化学抑制剂grl-0617抑制sars-cov-2 nsp3的催化活性,提高了抗病毒的IFN反应,减少了病毒在受感染细胞中的复制。39.

Sars-cov-2 M蛋白与rig-i、trf 3、tbk 1和ikkε有物理联系,并将这些蛋白质固定在膜相关的隔间中,从而阻止irf 3/irf 7依赖tbk 1/ikkε活化,并产生Ⅰ型IFN。40.

Sars-CoV Nsp 1的过表达抑制病毒诱导的IRF 3和IFN-β启动子的二聚41。此外,sars-cov和sars-cov-2 nsp1蛋白与40年代核糖体亚单位相互作用,几乎完全关闭宿主蛋白翻译,包括干扰素-β的翻译,提示nsp1可能通过多种机制抑制干扰素的应答。42。冷冻电镜分析表明,sars-cov-2 nsp 1的c端螺旋结合并阻断核糖体的mrna进入通道。43。此外,sars-cov-2 nsp 1能有效地阻止病毒诱导的Ⅰ型和Ⅲ型ifn的表达,以及β诱导的isg表达。43。值得注意的是,缺乏核糖体结合活性的突变体nsp 1蛋白不能抑制病毒诱导的IFN的表达,提示抑制宿主蛋白的合成是nsp 1介导的干扰素逃避反应的主要机制。43。虽然nsp 1在全球范围内抑制了宿主mRNAs的翻译,但病毒mRNAs的5‘先导序列似乎可以避免这些转录本受到nsp 1介导的翻译抑制,从而优先产生病毒蛋白。44.

Sars-cov orf 3b的过表达抑制仙台病毒感染细胞中β的表达,而sars-cov-2 orf 3最近被证实抑制irf 3的核易位。45,46。尽管sars-cov-2中的orf3b与sars-cov中的正构体相比被截断,但sars-cov-2 orf3b对病毒诱导的ifc 3核易位及由此产生的β具有较强的抑制作用。46。原始的SARS-CoV ORF3b具有C-末端核定位序列(NLS),在胞浆和细胞核之间分布均匀,而SARS-CoV-2 ORF3b缺乏NLS,留在胞浆中,可能比SARS-CoV ORF3b更有效地将IRF 3固定在细胞核外。通过筛选1.7万个SARS-CoV-2序列,在两个相关和危重患者中分离出一个较长的SARS-CoV-2ORF3b变异体(56个氨基酸和22个氨基酸),表明该变异体对IFN-β产生的抑制作用比原始的SARS-CoV-2ORF3b更强。由于较长的变异体还含有一个错误的突变(L24M),抑制效应增加的机制尚不清楚。46.

Sars-cov-2的ORF 6也干扰IRF 3的核易位。47。Sars-cov-2 orf 6抑制干扰素-β启动子的活性,即使在irf 3的组成活性形式过表达后也是如此,这证实它阻止了iff 3激活下游β的产生。47.

NS4B蛋白(编码为ORF 4bMERS-CoV是一种磷酸二酯酶超家族蛋白,主要定位于细胞核.NS4b催化位点或nls的突变导致病毒刺激的干扰素-β和干扰素-λ1以及isgs的产生增加,表明NS4b通常抑制Ⅰ型和Ⅲ型干扰素的表达。48.

IFN受体信号转导抑制及ISG表达

Sars-cov orf 3a过表达在Huh 7细胞中诱导IFNAR 1磷酸化、泛素化和溶酶体介导的降解。49。然而,IFNAR 1表达降低对I型IFN信号和ISG诱导的影响在同一研究中没有直接测量。

Sars-cov的nsp 1、orf3b和orf 6蛋白不仅能抑制受病毒感染的细胞中β的表达,而且在外源重组ifn的存在下也能阻止isre的激活和isg的表达,提示这些因子可以阻断ifnr信号的表达。41,45。特别是,sars-cov nsp 1抑制了STAT 1的酪氨酸磷酸化和ISRE启动子活性的激活。41。相反,sars-cov的ORF3b和ORF 6不影响IFN-β诱导的STAT 1酪氨酸磷酸化。45。然而,sars-CoV ORF 6而不是ORF3b对STAT 1的核易位有抑制作用。45。ORF 6还被证明定位在sars-cov感染细胞的内质网和高尔基体膜上,并通过将核蛋白α2和核蛋白β1拴在膜上破坏核导入复合物的形成。50。与sars-cov ORF 6类似,sars-cov-2 orf 6在不影响sars-cov ORF 6磷酸化的情况下,抑制干扰素-β-刺激的核转位,从而抑制isre启动子的活性和isg的表达。47.

Sars-cov-2N蛋白的过表达可抑制仙台病毒感染的HEK293T细胞和重组β刺激的HEK293T细胞中STAT 1和STAT 2的磷酸化和核转位,提示N蛋白抑制IFNAR信号转导。51。此外,在过表达N蛋白的Huh 7细胞中,sars-cov-2 RNA的复制明显增强,isg的表达明显减弱。51.

Nsp 1、nsp 7、nsp 9和nsp 16在全球范围内影响宿主蛋白质的合成和转运,从而阻止高效表达isg。43,44。如前所述,nsp 1阻止mRNA进入核糖体,从而抑制宿主蛋白的翻译。43。Nsp 16与剪接小体u1和u2组分的亲mrna识别位点结合,并破坏包括mRNAs在内的多个干扰素应答基因的全局mrna剪接。44。Sars-cov-2,nsp 7和nsp 9通过与信号识别粒子(Srp)结合,抑制分泌和膜蛋白的转运。44。SRP通常与分泌或膜整合的新生蛋白中的信号肽相互作用,介导它们进入内质网。Nsp 7和nsp 9与sars-cov-2的结合破坏了srp依赖的宿主蛋白的分泌,减少了对sars-cov-2感染的IFN应答。44.

ISG函数的抑制

摘要寡腺苷酸合成酶是具有抗病毒功能的主要ISG之一。52。由ATP合成2‘,5’-寡腺苷酸与病毒dsRNA结合,生成的2‘,5’-寡聚腺苷酸引发核糖核酸酶L(RNase L)的同源化和激活,RNase L在稳定状态下以非活性形式表达。激活的RNase L切割宿主和病毒的ssRNA,导致翻译停止和随后的细胞死亡,并阻止病毒的复制和传播。MERS-CoV NS4B不仅抑制病毒诱导的Ⅰ型和Ⅲ型IFNs的表达,而且通过其磷酸二酯酶的活性切割2‘,5’-寡聚腺苷酸盐,从而拮抗美洲组织-核糖核酸酶L途径的抗病毒作用。53.

大量的sars-cov和sars-cov-2蛋白在不同水平的宿主IFN反应中表现出不同的抑制作用,从最初的病毒感应到isgs的抗病毒效应功能(表)。1),提示这些病毒阻断宿主IFN途径是非常有益的。然而,这些抑制作用只在病毒感染的细胞内起作用,病毒蛋白存在于细胞质中,而不存在于非受感染的先天免疫细胞中,如单核细胞和树突状细胞。

表1抑制病毒诱导干扰素反应的冠状病毒蛋白。

新冠肺炎患者IFN反应异常与炎症反应的关系

据报道,I型IFNs在预防SARS-CoV-2感染和预防严重新冠肺炎方面发挥着关键作用。在一项对新冠肺炎患者的基因研究中,与无症状或轻度SARS-CoV-2感染的患者相比,有生命危险症状的患者的Ⅰ型干扰素途径基因突变被证明是丰富的。具体来说,在659名有严重症状的病人中,有23名(3.5%)携带有害的基因变异。TLR 3, 联合国赔偿委员会93B1, TICAM 1(编码TRIF),TBK 1, IFR 3, IFR 7, IFNAR 1,和IFNAR 219。这些突变被实验证明是导致表达丧失或功能丧失的原因,正如预期的那样,在携带这些突变的患者的血液中没有检测到或检测到极低水平的Ⅰ型干扰素。19.

新冠肺炎中Ⅰ型干扰素介导的免疫功能的重要性也在一项研究中得到了证明,该研究测量了患者抗Ⅰ型干扰素的自身抗体。值得注意的是,在987例有生命危险症状的患者中,有101例(10.2%)有抗IFN-α、IFN-ω或两者兼有的自身抗体。相比之下,在663例无症状或轻度sars-cov-2感染的患者中,这些自身抗体均不存在,在普通人群中,1227人中只有4人(0.33%)存在这些自身抗体。54。这些自身抗体能够中和高浓度的I型IFNs,从而阻碍IFN在体外预防SARS-CoV-2感染的能力。此外,在SARS-CoV-2感染前的一些患者的血液样本中已经检测到自身抗体,并且在感染的急性期患者中通常会检测到很低水平的干扰素-α(如果有的话)。有趣的是,抗I型IFN自身抗体或I型IFN通路基因突变的患者在新冠肺炎之前似乎没有生命危险的病毒感染史。这一发现表明,与其它病毒感染相比,Ⅰ型ifn在保护宿主免受sars-cov-2感染方面发挥了更重要的作用。19,54.

新冠肺炎患者的转录研究也表明,严重疾病患者的干扰素应答受损。一项早期研究报告,在死亡病例的死后肺组织中,Ⅰ型干扰素的反应是有限的,这与体外感染的支气管上皮细胞和体内感染sars-cov-2的雪貂的数据一致。55。另一项研究还报告说,严重或严重新冠肺炎患者外周血中的Ⅰ型干扰素反应严重受损,表现为I型干扰素和ISG水平较低,尽管TNF-、IL-6和NF-κB介导的炎症反应增加。56.

自相矛盾的是,在严重新冠肺炎患者中,也有报道称有强烈的Ⅰ型干扰素应答。57。通过对新冠肺炎患者外周血单个核细胞的单细胞RNA测序(scrna-seq)研究,发现1例重度疾病患者较轻病患者外周血单个核细胞(Pbmc)有较强的上调作用。58。此外,一项对新冠肺炎患者支气管肺泡灌洗液的转录组研究显示,除了炎性和趋化因子基因的显著增加外,许多ISGS的表达也增加了,提示上调的ISGS具有促进炎症的作用。59。在另一项对新冠肺炎患者外周血单个核细胞的scRNA-seq研究中,不同的isg被上调,特别是在经典的单核细胞中。60。纵向分析表明,严重新冠肺炎患者外周血中的干扰素-α水平维持在高水平,而中度感染患者的IFN-α水平在感染过程中下降。61,62.

我们先前也确认了Ⅰ型干扰素在严重新冠肺炎发生中的作用。63。用来自轻、重度新冠肺炎或严重流感患者的PBMC进行ScRNA-seq分析。新冠肺炎患者在所有类型的外周血免疫细胞中都有独特的炎症信号,特别是TNF-和IL-1β介导的炎症反应增加,而干扰素反应在严重流感患者中占主导地位。有趣的是,在严重新冠肺炎患者的经典单核细胞中,Ⅰ型干扰素反应与TNF-和IL-1β介导的炎症反应并存,而在轻度患者中则不存在,这表明I型干扰素参与了严重炎症过程中TNF-和IL-1β驱动的炎症的加重。值得注意的是,严重的新冠肺炎特异性特征,包括在该研究中发现的各种isg,也明显地丰富了患者死后肺组织的转录组。55证实严重新冠肺炎患者Ⅰ型干扰素应答增强。

最近,新冠肺炎患者发现Ⅰ型和Ⅲ型干扰素应答失调。64新冠肺炎患者I型和III型IFN的产生减少,延迟,而TNF、IL-6和IL-8等促炎细胞因子在I型和III型IFN之前产生,且持续较长时间。重要的是,在危重病人中,除了高炎症外,还观察到显著的IFN信号。与之相反,I型和III型干扰素在流感患者早期有较强的诱导作用。

I型IFN的自相矛盾的促炎作用以前曾在一种非典型肺炎小鼠模型中描述过。65。在感染SARS-CoV的BALB/c小鼠中,一种延迟但相当大的Ⅰ型IFN反应可引起单核巨噬细胞的积累和促炎细胞因子的产生,导致致死性肺炎、血管渗漏和T细胞反应不足。在sars-cov-2感染小鼠中,以腺相关病毒介导的人ACE 2的表达也显示了Ⅰ型干扰素的促炎作用。66。使用IFNAR−/−和IRF 3/7−/−小鼠,这项研究表明,I型干扰素的反应是需要的促炎症单核细胞-巨噬细胞进入SARS-CoV-2感染的肺。

I型IFNs可通过表观分子机制加重炎症反应。肿瘤坏死因子对单核细胞有耐受作用,使这些细胞对额外的TLR刺激脱敏,这是限制过度炎症的一种调节机制。67。有趣的是,I型IFN通过表观遗传机制使TNF的耐受性失效,使单核细胞对额外的TLR信号产生反应。68。这种表观遗传调控涉及一个基因模块的上调,该基因模块由于TNF-诱导的耐受性而对TLR刺激没有反应,但在I型IFNs存在时,该基因模块对TLR信号有反应;然而,这个基因模块并不直接被I型IFN上调。重要的是,这个基因模块在严重新冠肺炎患者的经典单核细胞的转录组中显著丰富,表明Ⅰ型干扰素应答可以通过干扰肿瘤坏死因子诱导的对重症患者单核细胞对tlr信号的耐受性来增强tLR介导的炎症反应。63.

我们提出了一个假说来解释在严重新冠肺炎患者中报告的I型干扰素反应的矛盾作用(见图)。3)。感染呼吸道上皮细胞后,SARS-CoV-2开始产生蛋白质并复制.病毒蛋白通过抑制病毒的先天识别、IFNs的产生和IFN信号通路来阻断Ⅰ型和Ⅲ型IFN的应答。因此,由于SARS-CoV-2的快速复制而导致病毒载量增加,而没有有效控制I型和III型干扰素的传播。未感染的免疫细胞,如单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞,通过TLR被病毒成分刺激,产生大量的I型IFN。从这些免疫细胞产生的I型IFN不会被SARS-CoV-2蛋白所抵消,因为这些免疫细胞的细胞质中没有病毒蛋白。大量的I型干扰素进一步诱导单核细胞和巨噬细胞的聚集和活化,导致促炎细胞因子的产生。同时,I型IFNs通过干扰TNF诱导的单核和巨噬细胞对TLR刺激的耐受性,增强TNF介导的炎症反应。这一假说解释了I型干扰素的延迟但夸大的反应是如何参与了炎症反应,并导致新冠肺炎的严重进展。然而,由于遗传和免疫因素,I型干扰素的应答可能因个体而异。19,20,54.

图3:关于延迟但夸大的Ⅰ型干扰素反应如何参与高发炎并参与新冠肺炎的严重进展的假说。

呼吸道上皮细胞感染后(a),SARS-CoV-2蛋白阻断Ⅰ型和Ⅲ型干扰素(IFN)应答(b)。病毒载量增加(c)和未感染的天然免疫细胞,如单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞,由病毒成分通过Toll样受体刺激,产生I型和III型IFNs(d)。I型和III型IFNs进一步诱导单核细胞和巨噬细胞的聚集和激活,导致大量的IFNs和促炎细胞因子的产生。e)。Ⅰ型干扰素还通过干扰TNF诱导的单核细胞和巨噬细胞对TLR刺激的耐受性而增强TNF介导的炎症反应。

透视

由于Ⅰ型干扰素具有广泛的抗病毒活性,重组干扰素-α和干扰素-β正被临床研究用于新冠肺炎患者的治疗。近年来,在新冠肺炎患者中报道了雾化吸入干扰素-β1a的安全性和有效性。69。此外,聚乙二醇化干扰素-λs也被临床研究用于新冠肺炎患者的治疗,因为干扰素-λs有望在没有炎症作用的情况下发挥抗病毒作用。然而,考虑到干扰素可能加重炎症反应,在临床研究中需要谨慎地评估使用I型或III型干扰素治疗新冠肺炎患者的情况,特别是对晚期患者。此外,还需要开发用于预测新冠肺炎患者预后的Ⅰ型或Ⅲ型干扰素相关生物标志物,以改善患者的管理。总之,需要对I型和III型IFNs在SARS-CoV-2感染中的确切作用进行进一步的调查和更准确的理解,以促进新冠肺炎患者的有效治疗。


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