Nat Microbiol |趙金存團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)首個(gè)通過(guò)O-糖基化修飾發(fā)揮廣譜抗呼吸道病毒感染的干擾素刺激基因GALNT2

呼吸道病毒，尤其是冠狀病毒（CoVs）與甲型流感病毒（IAVs），是引發(fā)全球大流行并持續(xù)威脅人類(lèi)公共衛(wèi)生的主要病原體。引發(fā)COVID-19的SARS-CoV-2已導(dǎo)致全球超過(guò)700萬(wàn)人死亡，深刻影響了世界；新世紀(jì)首次流感大流行在2009年席卷全球，造成至少20萬(wàn)人死亡。面對(duì)病毒侵襲，人體的先天免疫反應(yīng)，特別是干擾素（IFNs）及其誘導(dǎo)的下游干擾素刺激基因（ISGs），構(gòu)成了抵御病毒的第一道防線。大量證據(jù)表明，I型干擾素（IFN-I）反應(yīng)的延遲或受損是導(dǎo)致COVID-19和流感重癥的關(guān)鍵標(biāo)志。其中由IFN誘導(dǎo)的單個(gè)ISG是構(gòu)成保護(hù)性抗病毒應(yīng)答的重要組成部分，解析關(guān)鍵ISG如何抑制病毒感染，成為當(dāng)前研究的焦點(diǎn)。2025年12月12日，趙金存教授團(tuán)隊(duì)在《Nature Microbiology》上發(fā)表題為“Interferon-stimulated gene GALNT2 restricts respiratory virus infections”的研究論文，首次系統(tǒng)闡明O-GalNAc糖基轉(zhuǎn)移酶2（GALNT2）作為關(guān)鍵ISG，在SARS-CoV-2和IAV等呼吸道病毒感染中的發(fā)揮重要的抗病毒功能，為廣譜抗病毒治療提供新靶點(diǎn)。

為了探究關(guān)鍵ISG表達(dá)水平與COVID-19嚴(yán)重程度的相關(guān)性，該研究團(tuán)隊(duì)首先整合COVID-19患者支氣管肺泡灌洗液（BALF）和外周血單核細(xì)胞（PBMC）的單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)，綜合數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，GALNT2在COVID-19輕癥患者氣道上皮細(xì)胞和恢復(fù)期PBMC中的表達(dá)水平顯著高于重癥患者，提示GALNT2表達(dá)水平與病毒清除和感染進(jìn)程密切相關(guān)。隨后，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析已公開(kāi)的全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)攜帶GALNT2基因單核苷酸多態(tài)性（SNP）與COVID-19和IAV感染的易感性、嚴(yán)重程度、住院風(fēng)險(xiǎn)等高度相關(guān)（圖1）。以上研究結(jié)果提示，GALNT2在病毒感染中可能發(fā)揮重要的抗病毒作用。

圖1. GALNT2表達(dá)水平與COVID-19疾病嚴(yán)重程度相關(guān)

體外和體內(nèi)功能實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，過(guò)表達(dá)GALNT2可以顯著抑制SARS-CoV-2（包括WT和Omicron變異株）、HCoV-OC43、HCoV-229E以及多種亞型IAV（包括H1N1、H3N2、H9N2）的復(fù)制。相反，敲除內(nèi)源性GALNT2則導(dǎo)致病毒復(fù)制顯著增強(qiáng)，在敲除細(xì)胞系中回補(bǔ)GALNT2可有效限制病毒的感染。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)GALNT2能在病毒感染時(shí)通過(guò)干擾素途徑誘導(dǎo)，認(rèn)為其作為新型ISG在病毒感染中發(fā)揮廣譜抗病毒活性。基于細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了GALNT2 KO小鼠，發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性GALNT2敲除顯著增強(qiáng)病毒的感染，表現(xiàn)為更多的體重減輕、更低的存活率以及更高的病毒復(fù)制滴度。相反，使用AAV9載體滴鼻過(guò)表達(dá)GALNT2（AAV9-GALNT2）可明顯減輕病毒感染的嚴(yán)重程度。值得關(guān)注的是，該團(tuán)隊(duì)在天然免疫缺陷的IFNARKO和STAT1 KO小鼠中過(guò)表達(dá)GALNT2，都可顯著降低SARS-CoV-2復(fù)制滴度，證明過(guò)表達(dá)GALNT2可以為免疫缺陷的群體提供有效保護(hù)（圖2）。

圖2. GALNT2在體內(nèi)保護(hù)小鼠拮抗SARS-CoV-2和IAV感染

機(jī)制研究表明，GALNT2作為O-GalNAc糖基轉(zhuǎn)移酶，直接O-糖基化修飾SARS-CoV-2刺突蛋白（Spike, S）的S810和S813位點(diǎn)，阻礙蛋白酶（TMPRSS2）對(duì)Spike S2’的切割，進(jìn)而抑制病毒與宿主細(xì)胞的膜融合過(guò)程。同樣，GALNT2可O-糖基化修飾IAV血凝素（HA）蛋白的裂解位點(diǎn)，阻斷其蛋白切割與融合功能。本研究進(jìn)一步使用cell-cell fusion、假病毒包裝、類(lèi)病毒顆粒(VLP)感染等方法，驗(yàn)證被GALNT2 O-糖基化修飾的子代病毒入侵功能受損，這揭示了GALNT2在病毒多輪復(fù)制中發(fā)揮抗病毒作用的分子機(jī)制（圖3）。

圖3. GALNT2依賴(lài)的O-糖基化修飾SARS-CoV-2 Spike和IAV HA

值得注意的是，該研究運(yùn)用反向遺傳技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)病毒難以通過(guò)簡(jiǎn)單突變逃逸GALNT2的抗病毒作用。雖然S810/813位點(diǎn)突變病毒（S810/813A，S810/813I）在細(xì)胞和小鼠水平能逃逸GALNT2的抗病毒作用，但這些突變同時(shí)嚴(yán)重?fù)p害了病毒自身的復(fù)制能力和膜融合效率。這解釋了為何自然演化中出現(xiàn)的相關(guān)突變株會(huì)迅速消失（圖4）。因此，Galnt2作用靶點(diǎn)非常保守，而且病毒無(wú)法簡(jiǎn)單通過(guò)突變逃逸其抗病毒作用，為廣譜抗病毒藥物開(kāi)發(fā)提供了全新視角。

圖4. S810/813是介導(dǎo)GALNT2抑制SARS-CoV-2感染的主要靶點(diǎn)

總之，這項(xiàng)研究首次系統(tǒng)性揭示GALNT2為一個(gè)由干擾素誘導(dǎo)、具有廣譜抗病毒活性的關(guān)鍵效應(yīng)分子，通過(guò)O-糖基化修飾病毒膜蛋白發(fā)揮抑制病毒感染入侵的全新機(jī)制。本研究不僅深化了對(duì)宿主-病毒相互作用的理解，也為開(kāi)發(fā)針對(duì)新冠病毒、流感病毒等呼吸道病原的廣譜抗病毒策略提供了新靶點(diǎn)與理論基礎(chǔ)。

廣州醫(yī)科大學(xué)/廣州實(shí)驗(yàn)室趙金存教授、汪少伯研究員、中山大學(xué)毛洋教授、肇靜嫻教授、美國(guó)愛(ài)荷華大學(xué)Stanley Perlman教授、清華大學(xué)丁強(qiáng)教授為共同通訊作者。廣州醫(yī)科大學(xué)/廣州實(shí)驗(yàn)室冉偉副研究員、博士研究生楊驚鴻、喻實(shí)副研究員、胡慶濤副教授、中山大學(xué)博士研究生何羽騏為共同第一作者。本研究獲得科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目的資助和支持。