神经菌毛素-1（Neuropilin-1, NRP1 ）结合SARS-CoV-2中furin加工处理的刺突蛋白（Spike protein, S protein/S）以促进病毒进入宿主细胞

当下2019年全球冠状病毒（COVID-19）疫情引发于急性呼吸系统综合症冠状病毒2（SARS-CoV-2）。感染最初的关键步骤是病毒与宿主细胞受体之间的相互作用。在SARS-CoV-2和其他冠状病毒中，其与受体的结合是通过表面刺突（S）蛋白实现的。SARS-CoV-2和与之相关的SARS-CoV（在2003年引起暴发），都可与人体细胞上的血管紧张素转化酶2（ACE2）结合。但是，这两种病毒感染的组织差异（向性）表明其他宿主因子也可能参与了结合。在第861和856页上，达利团队和Cantuti-Castelvetri团队分别表明膜蛋白神经菌毛素-1（NRP1）可促进SARS-CoV-2进入宿主细胞并解释了NRP1与SARS-CoV-2 S蛋白之间的相互作用。 此结果也暗示了S蛋白-NRP1相互作用为潜在的抗病毒靶点。

冠状病毒是包膜RNA病毒，可引起人类疾病，从普通感冒到严重和致命的呼吸道感染。普遍认为，SARS-CoV-2和SARS-CoV均与宿主细胞表面的ACE2结合，通过内吞作用而被内在化，并与溶酶体膜融合以传递病毒基因组在宿主细胞中复制（见图1）。病毒S蛋白介导了这一关键的膜融合反应，但其活性需要几个处理步骤。 S通常为一种合成的大分子膜蛋白，可被切割为两个保持非共价结合的组分，即S1和S2。切割是感染所必需的，可在病毒颗粒产生或病毒进入靶细胞期间发生。S1蛋白形成分子的“头部”，并介导与ACE2结合。 S2蛋白则锚定在病毒膜上并介导膜融合。与流感病毒和HIV-1的融合蛋白一样，S2在氨基末端将其疏水融合肽段插入细胞膜，再折回以融合宿主和病毒膜。 S2也需要通过跨膜蛋白酶丝氨酸2（TMPRSS2）或其他蛋白酶的作用，进一步的蛋白水解步骤以“释放”其融合肽。

SARS-CoV-2的处理和输入模型

SARS-CoV和SARS-CoV-2 S蛋白的蛋白水解过程有助于病毒进入宿主细胞。SARS-CoV和SARS CoV-2通过S1区域与ACE2绑定。Furin在S1-S2连接处切割可使SARS-CoV-2 S1上的C端规则肽（C-end rule peptide）暴露，并允许其与NRP1相结合。组织蛋白酶和TMPRSS2的后续加工可实现S2融合肽介导的膜插入和膜融合。而在SARS-CoV S1和SARS-CoV-2 S1 furin切割位点缺失突变体中却阻止了与S蛋白NRP1的结合并限制了病毒的入侵和感染。

SARS-CoV-2和SARS-CoV之间的潜在重要区别是S蛋白裂解为S1和S2的机制。在SARS-CoV中，这种区别是由宿主细胞蛋白酶引起的，也称组织蛋白酶，位于内吞区室中。 然而，SARS-CoV-2 S蛋白的序列在S1-S2连接处包含一系列碱性氨基酸。这种多碱基位点可以是furin的底物，furin是一种存在于分泌途径和内吞区室中的蛋白酶。有关SARS-CoV-2的研究表明，S蛋白在病毒生产过程中被furin切割，并且这种切割促进了随后的病毒感染。因此，这两种冠状病毒的S蛋白之间的显着差异在于可进行S1-S2裂解反应的蛋白酶。Furin切割还产生了潜在的重要残留物：切割后保留在SARS-CoV-2 S1羧基末端的多元位点。

神经菌毛蛋白是膜蛋白家族，因最终参与了血管生成（血管形成）和轴突引导而被定义。神经纤毛蛋白是诸如血管内皮生长因子（VEGF）和信号灯蛋白之类的分子的共受体，最近的研究表明它们在肿瘤血管生成过程中具有上调作用，并且具有作为抗癌靶标的潜力。NRP1和NRP2都可以结合由furin 加工而产生的羧基末端（例如VEGF经furin 加工处理后可产生羧基末端），该羧基末端所在的序列可插入NRP b1结构域中的口袋。此类NRP1-羧基末端相互作用的详细研究表明，与b1口袋结合的羧基末端处序列为Arg / Lys-XX-Arg / Lys（R / K-XX-R / K，其中X可以是任何氨基酸）。因此，这种“C末端规则”或CendR可以预测蛋白质是否是结合NRP的候选分子。

戴利等和Cantuti-Castelvetri等发现来自人类患者的病毒分离株S1-S2接头序列表明它们符合C端法则，并预测了其中S1蛋白经由furin 切割之后会形成Arg-Arg-Ala-Arg（RRAR）的羧基末端序列。他们表明，NRP1可通过SARS CoV-2和慢病毒假型促进人细胞系的感染，并且该慢病毒假型在其表面包含了SARS-CoV-2 S蛋白。同时，NRP1不是促进SARS-CoV-2感染的唯一宿主因子，但是即使同时存在ACE2和TMPRSS2，NRP1也会增加。这是由于入侵到细胞中的病毒增加，而不是与细胞表面结合的病毒增加。通过添加可溶性NRP1或映射到NRP1结合口袋的抗体，可抑制NRP1对病毒感染的促进作用。进一步的分析表明，S1或其羧基末端区域可与NRP1相互作用，并且这种相互作用可被NRP b1口袋中的突变所抑制。SARS-CoV-2突变体对NRP1表达不敏感，突变体中多碱基位点被删除可使S对furin 的切割具有抗性。

而戴利等结果表明，S1羧基末端的肽段以微摩尔亲和力与NRP1 b1结构域结合。他们解析了复合物的晶体结构，发现该肽位于b1口袋中，类似于用VEGF-b1的晶体复合物。抑制VEGF结合的NRP1小分子拮抗剂也能抑制住b1-S1相互作用及病毒感染。

C端规则肽以前已被证明可介导细胞和组织对颗粒或噬菌体的摄取。Cantuti Castelvetri等人将S1肽偶联到纳米颗粒上，再经鼻给药，注射到小鼠中。小鼠嗅觉上皮细胞表达NRP1，作者观察到该位点显着摄取了S1肽缀合的颗粒。与先前的结果类似，S1肽包裹的颗粒也进入皮层的神经元和血管。为了解决NRP1在人SARS-CoV-2感染中的可能作用，作者使用可用数据来确认NRP1和NRP2的RNA在人肺和嗅觉上皮组织中的表达。 他们的结果显示，5/6的COVID-19患者嗅觉上皮尸检样本中，S蛋白和NRP1均为阳性。而鉴于许多COVID-19患者失去了嗅觉，小鼠和人类的这些结果还挺令人寻味的。

总之，这些文章将NRP1确立为SARS-CoV-2的宿主因子，并暗示了NRP在其他病毒感染中的所发挥作用的相似之处和差异。例如，人类T细胞淋巴滋养病毒SU蛋白和爱泼斯坦巴尔病毒（EBV）gB蛋白都被furin加工，而NRP1促进了这些病毒的感染。感染鼻咽上皮细胞的EBV，表现出明显的相互影响，其中NRP1促进感染，而NRP2抑制感染。虽然戴利等人的结果表明，S1蛋白可结合NRP2，但是其在SARS-CoV-2感染中的作用尚不清楚。NRP2是卢霍病毒的受体，但这并不涉及与b1口袋的结合。这些示例和其他示例表明，在感染过程中多种病毒已经进化以使用NRP，但作用机制仍不清楚。

有关NRP1促进SARS-CoV-2感染的知识，还有很多需要我们学习。该病毒可以在缺乏furin 切割的情况下在某些培养的细胞中传播，其中钙蛋白酶还是足够量，但是在体内，病毒还是依赖furin 加工，从而这种理论增强了仓鼠模型中的病毒发病机理。NRP1结合如何影响病毒的内在化途径，并与ACE2共同作为受体？ C端规则肽与NRP1的结合可促进血管渗漏和组织渗透，尤其是当C端规则肽存在于多价颗粒上时。NRP1是否同样有助于促进SARS-CoV-2的传播和传播？总之，戴利和Cantuti-Castelvetri等人的结果表明，furin加工在SARS-CoV-2 S蛋白的成熟和融合活性中起着重要作用，还可以在病毒颗粒上生成与NRP1结合的配体。而针对NRP1-C端规则肽的相互作用的小分子抑制剂的可用性暗示了潜在的抗病毒策略。确定体内这种相互作用的重要性将是至关重要的下一步。

文章来源：

Kielian, Margaret. “Enhancing host cell infection by SARS-CoV-2.” Science (New York, N.Y.) vol. 370,6518 (2020): 765-766. doi:10.1126/science.abf0732