唐霓教授团队：己糖胺生物合成途径与抗病毒研究，有望为病毒和病毒相关肝癌治疗提供新方向

*本文为“第五届感染病与肝病卓越研究年度论坛青年英才科学论坛2”正式发言，由第一作者高庆祝与通讯作者唐霓共同撰稿，胡杰，杨泱，汪凯提供支持。

第一作者 高庆祝

博士研究生，2020年毕业于重庆医科大学临床内科学专业，现为重庆医科大学附属第二医院住院医师，研究方向为代谢重编程与肝病的发生发展。以第一作者（含共同）在Cell Death Differ，Theranostics，Clinical and Translational Medicine，Genes and Diseases和Cancer Science等杂志发表论文8篇。

2020年最新癌症数据显示，我国肝癌负担依然严重，新发病例数高达41万，约占全球的45%，死亡病例数高居第2位。其中乙型肝炎病毒（HBV）感染是我国肝癌的最主要诱因（比例高达92.05%）[1]（图1）。

图1.乙肝相关肝癌是我国重大公共卫生问题

HBV感染诱导肝癌的发生机制十分复杂，目前的抗病毒治疗只能抑制HBV复制，很难实现病毒的完全清除。早期诊断困难，易转移和复发等特点使肝癌的临床治疗也面临巨大的挑战（图2），因此寻找新型抗病毒和抗肿瘤靶点将为HBV相关肝癌的治疗提供新的方向。

图2.乙肝相关肝癌的治疗疗效欠佳

目前认为HBV和宿主的相互作用决定了感染的结局和临床转归。近年来，细胞代谢重编程被认为在病毒持续感染中发挥重要作用。HBV是一种“代谢”病毒，需劫持宿主细胞中的物质和能量以完成自身的复制和包装，并建立持续感染状态，这一过程必然伴随着代谢的变化。研究发现，HBV感染的代谢重编程主要包括糖酵解、核苷酸代谢和脂质合成等代谢增强。同时，HBV感染和HBV相关肝癌均偏好糖代谢分支通路-己糖胺通路（HBP）的代谢重塑[2]，提示通过靶向干预相关关键代谢途径可有望为病毒感染、病毒相关肝癌提供新的干预靶点和治疗方向。

图3.糖代谢异常在乙肝相关肝癌发生发展中的重要作用

机体约3%-5%的葡萄糖会进入己糖胺合成途径，结合氨基酸、脂肪酸以及核苷酸代谢形成尿苷二磷酸-N-乙酰基葡萄糖胺（UDP-GlcNAc）。UDP-GlcNAc是细胞内O-GlcNAc修饰的供体底物。O-GlcNAc修饰由唯一的一对糖基转移酶OGT和糖基水解酶OGA介导，OGT负责将GlcNAc连接到蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基上，而OGA则反向水解这一过程。O-GlcNAc修饰是营养应激感受器，其底物UDP-GlcNAc通过连接葡萄糖、谷氨酰胺、乙酰辅酶A和UTP代谢，同时O-GlcNAc修饰能根据机体营养、应激、代谢状态，动态可逆地调控基因转录、功能蛋白定位、稳定性及与其他翻译后修饰如磷酸化、泛素化交互调控，进而参与信号转导。研究证实O-GlcNAc修饰参与多种代谢相关的疾病进程，如肿瘤、病毒感染、心血管疾病、糖尿病和免疫性疾病等。

图4.己糖胺合成通路—营养应激感受器

近年来，HBP与病毒感染的关系受到越来越多的关注，主要作用机制是OGT介导抗病毒天然免疫分子、关键转录因子、宿主限制因子的O-GlcNAc修饰，进而参与病毒复制调控和致病性过程^[3-4]。目前己糖胺合成通路与HBV的相关报道相对较少。2015年复旦大学唐惠儒教授团队通过对HBV感染肝细胞HepG2.215进行代谢组学检测，发现HBV感染可上调限速酶GFAT1的表达和肝细胞中UDP-GlcNAc的含量，活化HBP通路，而用DON抑制GFAT1酶活后可抑制HBV的复制，提示HBV和HBP存在交互作用。

图5.己糖胺合成通路与病毒感染

研究团队通过非靶标代谢组学检测发现HBV感染可介导肝细胞内多个代谢途径的改变。随后在HepAD38、HBV感染的HepG2-NTCP等细胞模型中，通过靶标代谢组学检测证实了HBV感染可上调细胞中葡萄糖和UDP-GlcNAc的含量，促进HBP途径的活化。

图6.HBV感染上调HBP代谢途径

通过将HBV感染的肝细胞送检免疫沉淀-质谱联用（IP-MS）验证，该团队筛选到1034个可发生O-GlcNAc修饰的蛋白，这些蛋白主要参与HBV cccDNA转录、抗病毒先天免疫和肿瘤的恶性进程。基于此，研究团队主要聚焦HBV感染通过重塑HBP代谢进而调控病毒复制和致病性的相关工作。

图7.IP-MS鉴定HBV感染细胞中的O-GlcNAc修饰蛋白

首先，该团队发现HBV感染可增强细胞内的O-GlcNAc修饰水平，这主要是通过上游的葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）表达上调，介导细胞内葡萄糖的摄入增加来实现的。

图8.HBV感染上调HBP途径和GLUT1的表达

接下来该团队通过抑制剂WZB117、DON、ST04或shRNA干预细胞内O-GlcNAc修饰水平，发现肝细胞内O-GlcNAc修饰水平下调可显著促进HBV复制，而通过TMG抑制糖基水解酶OGA、上调细胞内O-GlcNAc修饰水平可明显抑制HBV复制，提示宿主HBP代谢和O-GlcNAc修饰可以调控HBV复制水平。

图9.靶向抑制细胞内O-GlcNAc修饰促进HBV复制

该团队将目光聚焦宿主限制因子SAMHD1，因在前期的质谱分析中，SAMHD1富集的肽段数较多，且SAMHD1是一类重要的抗HIV和抗HBV宿主限制因子。通过免疫共沉淀和质谱鉴定分析，该团队证实SAMHD1的SAM域与OGT相互作用；SAMHD1 93位丝氨酸（Ser93）能够发生O-GlcNAc修饰。其次，HBV感染可上调SAMHD1 Ser93位的O-GlcNAc修饰。

图10.HBV感染上调SAMHD1的O-GlcNAc修饰

图11.Ser93为SAMHD1 O-GlcNAc修饰的主要位点

人源SAMHD1蛋白由我国免疫学家曹雪涛院士在2000年首次在人树突细胞中发现，并于2009年被鉴定为人体自身免疫疾病Aicardi-Goutières综合症(AGS)相关蛋白。SAMHD1蛋白具有脱氧核糖核苷三磷酸水解酶（dNTPase）活性，通过消耗病毒基因组复制所需的dNTP来抑制人类免疫缺陷病毒（HIV）和其他病毒的复制。其中，四聚体SAMHD1对于其dNTPase活性的发挥至关重要。该团队证实，SAMHD1 Ser93位点的O-GlcNAc修饰可增强其蛋白稳定性（图12）、四聚体形成、核酶活性（图13），促进其抗HBV和HIV-1能力（图14）。

图12.SAMHD1-Ser93位O-GlcNAc修饰增强其稳定性

图13.SAMHD1-Ser93位O-GlcNAc修饰增强其核酶活性

图14.SAMHD1-Ser93位O-GlcNAc修饰增强其抗病毒活性

体内实验证实，HBV-转基因小鼠肝组织中O-GlcNAc修饰水平明显高于正常C57小鼠；通过DON处理下调肝组织中UDP-GlcNAc和O-GlcNAc修饰水平可促进HBV复制；反之，OGA抑制剂TMG处理则抑制HBV复制。有趣的是，慢性乙型肝炎（CHB）患者血清和肝组织中UDP-GlcNAc含量、总O-GlcNAc修饰和SAMHD1 O-GlcNAc修饰水平较健康对照显著上调，表明TMG可以通过增加抗病毒蛋白的O-GlcNAc修饰发挥抗病毒作用。

图15.小鼠体内O-GlcNAc修饰上调抑制HBV复制

图16.CHB患者血清和肝组织样本中O-GlcNAc修饰上调

综上，该研究通过代谢组学、质谱鉴定和免疫沉淀等实验发现HBV感染增强宿主HBP途径，阐述了HBP/OGT介导SAMHD1蛋白O-GlcNAc修饰促进其抗病毒活性的分子机理。该研究首次鉴定到SAMHD1分子93位的丝氨酸（Ser93）是其O-GlcNAc修饰的关键位点；该修饰能够促进其四聚体形成，从而降低SAMHD1蛋白K48泛素化修饰增强其稳定性，进而提高抗病毒活性[5]。靶向细胞内O-GlcNAc修饰有望为病毒和病毒相关肝癌的治疗提供新的方向。

图17.己糖胺合成通路增强SAMHD1 O-GlcNAc糖基化修饰促进其抗病毒活性

通讯作者 唐霓教授

研究员，博士生导师，重庆医科大学感染性疾病分子生物学教育部重点实验室副主任，重庆医科大学病毒性肝炎研究所副所长。中华医学会微生物学与免疫学分会副秘书长、全国委员，中国抗癌协会肿瘤代谢专委会全国委员。入选重庆英才计划-创新创业示范团队、重庆市科技创新领军人才和重庆市高校创新团队。近 5 年以通讯作者（含共同）在J Clin Invest、Nat Commun、EMBO J、Cell Death Differ、Clin Infect Dis、Cell Discov、Signal Transduct Tar Ther、Oncogene等国际主流学术刊物发表SCI论文32篇，3篇论文入选ESI临床研究高被引论文。获得重庆市科技进步二等奖、首届川渝科技学术大会优秀论文奖二等奖、中华医学会微生物学与免疫学年会青年英语论坛一等奖等学术奖励。

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