英文原题:Screen for Modulation of Nucleocapsid Protein Condensation Identifies Small Molecules with Anti-Coronavirus Activity
供稿人:秦珊 北京大学
大家好,今天为大家介绍一篇 ACS Chemical Biology 文章,标题为“Screen for Modulation of Nucleocapsid Protein Condensation Identifies Small Molecules with Anti-Coronavirus Activity”,文章的通讯作者是来自哈佛医学院的Timothy J. Mitchison和Pamela A. Silver。液-液相分离形成的分子凝聚物与多种疾病有关,通过小分子调节这类凝聚物的动力学具有治疗潜力。在这篇文章中,作者开发了一个基于细胞的高内涵成像筛选平台,并且分别鉴定了促进和抑制SARS-CoV-2 N蛋白凝聚的小分子。
作者首先研究了七种人类冠状病毒(HCoV)的N蛋白在宿主细胞内的分布情况(图1),发现其中四种病毒,即SARS1、SARS2、OC43和MERS在细胞内呈弥漫性细胞质定位,另外三种病毒,即229E、NL63和HKU1则是呈凝聚状态分布。在施加了polyIC(一种模拟病毒基因组复制中间体并触发先天免疫途径的dsRNA合成类似物)之后,七种冠状病毒N蛋白在胞内的凝聚颗粒数均有增多。作者检测了N蛋白在胞内的天然分布和由polyIC诱导的凝聚颗粒随时间显示出流动和融合/聚结行为,这些行为与液-液相分离一致。作者还通过监测光漂白后的荧光恢复(FRAP)来探测各种N蛋白凝聚物的动力学。PolyIC 诱导的呈弥漫性细胞质定位的冠状病毒N蛋白比组成型凝聚状态的凝聚物更具活力,表现出更快、更完全的荧光恢复。
图1.用于鉴定 SARS-CoV-2 N 缩合调节剂的高内涵表型筛选试验
因为病毒的生命周期与N蛋白的相变化具有密切关系,于是作者猜想,利用小分子调节 SARS-CoV-2 N蛋白的相行为可能通过扰乱病毒复制各个阶段所需的N蛋白凝聚动力学来发挥抗病毒作用。因此,利用高内涵成像显微镜,作者首先进行了促进N蛋白凝聚的小分子化合物筛选。他们鉴定到了六个能显著提高N蛋白凝聚效力的化合物,分别归属于两个类别,GSK3抑制剂和蛋白酶体抑制剂。由于之前研究发现,用于癌症治疗的蛋白酶体抑制具有毒副作用,这排除了作者团队筛选到了四个蛋白酶体抑制剂用于抗病毒药物的治疗潜力。因此作者选择了GSK3抑制剂进行进一步的研究。作者利用Wnt3a 配体刺激细胞(这会激活 Wnt 信号通路并导致 GSK3 抑制)时观察到了明显的SARS-CoV-2 N蛋白的聚集。接着作者构建了GSK3的敲除细胞株,发现GSK3的缺失的确能显著提高N蛋白的聚集状态。最后作者在七种冠状病毒中都观察到了GSK3抑制剂对N蛋白聚集的促进作用。(图2)
图2.GSK3和蛋白酶体抑制剂促进泛HCoV N凝聚和凝聚物硬化
接下来,作者利用相同的化合物库筛选了N蛋白凝聚抑制剂。经过反筛选后,他们确定了四种化合物,分别属于两种类别,Bcr-Abl/Src抑制剂和植物来源的多酚丹酚酸B(SalB)。为了测试这些N蛋白聚集抑制化合物是直接作用于N蛋白本身,还是通过宿主因子间接发挥作用。关于后者,作者猜想化合物可能是抑制了由polyIC转染诱导的两种内源性途径,即stress granule的形成和IRF3易位到细胞核的行为。作者还是利用细胞的高内涵成像分析跟踪stress granule以及IRF3进行验证实验,发现在高浓度下,三种激酶抑制剂能够抑制由polyIC或亚砷酸盐触发的stress granule形成,以及IRF3的易位。接下来,作者测试了筛选得到的四种化合物抑制N蛋白凝聚的种属特异性。成像分析现实,所有四种化合物均显示出对polyIC诱导的N蛋白(弥漫性细胞质定位)凝聚的显着抑制。
图3.SARS-CoV-2 N蛋白凝聚抑制物筛选
作者筛选的库包含已批准的药物和已有注释的化合物,类似的文库已被多个小组筛选出具有抗HCoV的抗病毒活性。在作者鉴定出来的对N蛋白凝聚起调节作用的化合物中, GSK3、Src/Abl和蛋白酶体抑制剂先前已被证明具有抗病毒活性。此外,对于某些GSK3抑制剂,已发表的抗病毒测试中的IC50与这篇文章中测试的N蛋白凝聚EC50相关。
图4.N蛋白凝聚调节剂具有抗病毒作用
生物分子凝聚物在细胞生命过程中发挥重要作用,例如胚胎发育、应激反应和蛋白质的病理聚集,并且对于病毒复制的各个阶段也至关重要。在这项研究中,作者表明N蛋白的凝聚是所有七种HCoV中的常见现象,小分子化合物可以通过扰动宿主靶点促进或抑制N蛋白的凝聚,并且这种活性在多种HCoV中都得到了测试。作者使用经过多次抗病毒活性筛选的FDA批准的文库使我们看到N蛋白凝聚物形成和病毒活力之间潜在的相关性。虽然在这篇文章中,作者只筛选了HCoV N蛋白凝聚物的调节剂,但作者提出的高内涵细胞成像筛选方法也可用于与核糖核蛋白(RNP)凝聚有因果关系的其他疾病的疗法研究。
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ACS Chem. Biol. 2023, ASAP
Publication Date: February 16, 2023
https://doi.org/10.1021/acschembio.2c00908
Copyright © 2023 American Chemical Society
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