猴痘“卷土重来”？Nat Commun（14.7）多组学特征分析揭示猴痘病毒感染机制

猴痘病毒是一种致病性正痘病毒，于1970年首次发现。该病毒物种分为进化枝I和进化枝II，2022年爆发菌株mpox属于进化枝II，该菌株会导致痘样皮疹、淋巴结病以及非特异性前驱症状（皮肤损伤、发热、疲劳和头痛）相关的疾病，造成了全球范围内的广泛传播。在之前的研究中，对寨卡病毒（ZIKV）和新型冠状病毒等病毒的多组学分析极大地增加了对流行病和痘病毒的了解，并促进了药物开发。尽管现在已有对猴痘病毒（MPXV）感染患者的转录组学和血浆蛋白质组学研究，但是缺乏对MPXV感染相关系统的多组学研究。

本研究对MPXV感染的原代人成纤维细胞进行了转录组学、蛋白组学和磷酸化修饰蛋白组学的多组学分析，以深入了解病毒与宿主的相互作用。除了免疫相关通路的影响外，研究人员还发现了HIPPO和TGF-β通路调控。通过磷酸化蛋白组学分析发现mapk是MPXV感染的关键调节因子，并且病毒蛋白中H5的动态磷酸化影响了H5与dsDNA的结合。进一步的综合分析和药物靶标预测确定了影响病毒生长的潜在药物靶标。该研究揭示了MPXV的作用机制，提高了对痘病毒的了解，推进了病毒与宿主定向治疗方法的开发。

英文题目：Multi-omics characterization of the monkeypox virus infection

中文题目：猴痘病毒感染的多组学特征分析

发表期刊：Nature Communications

影响因子：14.7

发表时间：2024.08

样本类型：细胞

组学技术：转录组学、蛋白组学、磷酸化修饰蛋白组学

一、研究思路

图1研究思路

二、研究结果

01.MPXV感染细胞的多组学分析

为了了解原代人包皮成纤维细胞(HFFs)感染MPXV的反应，本研究进行了转录组、蛋白质组和磷酸蛋白质组分析，结果表明转录组学共鉴定到12970个宿主基因的表达，其中1827个在MPXV感染期间有差异性表达；蛋白组学鉴定了7701个蛋白质，其中1216个蛋白质在感染过程有差异性调节；磷酸化修饰蛋白组学鉴定了1895个磷酸化修饰位点在感染过程中显著变化。多组学数据验证了感染细胞中RNA和蛋白丰度之间的关系，发现了病毒转录物和病毒蛋白的增加，从而证实了HFFs的感染。此外还分析了CTNNB1、p38蛋白丰度的动态变化。这些结果表明MPXV感染对宿主细胞的多层次调控，包括基因表达、蛋白质丰度以及磷酸化修饰位点变化，揭示了细胞信号传导、免疫应答和细胞骨架组织的广泛影响。

图2 MPXV感染细胞的多组学分析（图源：Huang Y et al., Nat Commun, 2024）

02.病毒蛋白的动态分布

本研究描述了MPXV感染期间病毒蛋白的表达模式和磷酸化研究，共识别了161个具有不同时间表达模式的MPXV蛋白质，使用UMAP技术将病毒蛋白分为三组，分别在感染后6h、12h、24h首次被检测到。病毒组装过程中所需要的7蛋白复合体（7PC）在12h后才能被检测到，而主要的病毒粒子结构蛋白从6h开始就能被检测到。同时，根据MPXV的磷酸化动力学和丰度将MPXV磷酸化位点分为四组，其中H5是MPXV中磷酸化修饰最多的病毒蛋白，具有九个已识别的磷酸化位点，分布在三个不同的簇中。随后使用AlphalFold预测了H5蛋白结构，明确了磷酸化对H5功能的影响。这些结果促进了对MPXV感染过程中病毒蛋白磷酸化动态的深入理解，并揭示了病毒与宿主细胞之间复杂的相互作用。

图3 MPXV感染HFFs的病毒蛋白动力学（图源：Huang Y et al., Nat Commun, 2024）

03.MPXV感染后宿主的系统分析

为了更好地了解病毒生物学并寻找病毒依赖的潜在可用药，通过将多组学数据投射到已知的宿主生物学上进行了深入的系统分析。首先，使用整合通路富集分析发现了在多个信号层面上独特或共同受到干扰的通路，这些通路可能在病毒生命周期中发挥作用。通过转录因子富集分析，识别了与mRNA丰度调节相关的不同活性转录因子，例如EGR-1、MEF2A和FOSL2。蛋白质组的上游调节因子的富集分析表明EGF、VEGF、TGF-β、干扰素和整合素信号传导调节的途径在MPXV感染中的显著参与。同时，进一步分析揭示了可能直接影响MPXV复制或协调宿主和限制因子表达的调控因子，以及尚未研究的潜在可药物宿主因子。综上，这些分析加深了理解病毒与宿主细胞之间相互作用的复杂性，为发现新的抗病毒测量提供了可能的药物靶点。

图4 MPXV多组学数据集系统分析（图源：Huang Y et al., Nat Commun, 2024）

04.抗病毒药物靶点预测

本研究通过网络扩散模型来预测可能的抗MPXV药物靶点，并利用多组学方法识别和评估现有的药物。首先绘制了从单个组学层检测到的分子变化，根据蛋白质-蛋白质相互作用、GO术语、疾病和药物-蛋白质关联进行连接。多组学方法发现了来自不同组学层的药物和药物靶点预测是高度正交的，这反映了感染诱导的通路扰动模式，并强调了该方法的必要性。通过上述方法共鉴定了1063种药物和695种药物靶点，这与转录组、蛋白质组或磷酸化蛋白质组水平上的MPXV指纹显著相关。这种最先进的基于图的预测方法扩展了以生物学为导向的综合分析的结果，并提供了抗病毒策略。后续通过功能验证和药物效果评估进一步验证了该方法的可靠性。

图5 抗病毒药物靶点预测（图源：Huang Y et al., Nat Commun, 2024）

三、拜谱小结

本研究采用多组学方法深入分析了MPXV感染原代人类成纤维细胞的分子机制。通过转录组学、蛋白质组学和磷酸化修饰蛋白质组学分析，揭示了MPXV感染对宿主细胞的广泛影响，包括免疫应答的调节、细胞信号传导的干扰以及细胞周期和组织稳态的调控。研究发现了病毒蛋白的动态表达模式和磷酸化事件，为理解病毒复制和致病机制提供了新见解。此外，通过系统生物学分析，研究预测了可能的抗病毒药物靶点，并验证了多种药物对MPXV的抑制效果，为开发新的抗病毒疗法提供了重要信息和潜在候选药物。拜谱生物作为一家国内领先的多组学服务公司，可提供完善成熟的蛋白质组学、修饰蛋白质组学、代谢组学、转录组学等多组学产品技术服务体系。结合多组学技术，拜谱生物也推出了针对不同样本和研究领域的多组学研究方案，包括肠道篇、血液篇、医学篇等，欢迎大家咨询!

参考文献：Huang Y, Bergant V, Grass V, et al. Multi-omics characterization of the monkeypox virus infection. Nat Commun. 2024;15(1):6778. doi: 10.1038/s41467-024-51074-6.