病毒引起的線粒體生物能學變化機制可能成為一種治療傳染病的潛在方案

傳染病仍然占全世界死亡和殘疾的很大比例。 高收入國家其主要的死亡比例為非傳染性疾病，而對于低收入國家，傳染性疾病的死亡率將占有主要死亡比例。但是傳染病的種類和特點多種多樣，在全球范圍內，多種傳染病病毒可對非特定環境和人群進行大范圍的傳染，例如，革登熱等病毒的感染不因環境調節而限制，它可造成大范圍的流行性傳播。另外，如果考慮到與傳染病病原具有顯著相關的慢性疾病，例如肝細胞癌（乙型肝炎或丙型肝炎病毒等），那么傳染病的覆蓋度和死亡率將會更高。

在近期的研究中，發現了宿主與病毒相互作用的一個新觀點，即宿主代謝在病毒復制和感染過程中起到了關鍵性作用。由于病毒沒有進行能量代謝的生理機制，因此他們必須寄生生活在宿主細胞內才能完成繁殖與傳播。早在60年前，Ackermann及其同事發現了與病毒復制相關的宿主細胞內的酶系統和生物發生途徑（Ackermann和Klernschmidt，1951; Ackermann和Johnson，1953）。他們的研究揭示了線粒體與甲型流感以及線粒體與孢疹病毒之間的理化關系。通過利用線粒體能量抑制劑和解偶聯劑，他們觀察到了病毒產量明顯降低，并提出了病毒繁殖需要線粒體提供主要能量的觀點。現階段，關于病毒蛋白的合成和組裝是由宿主細胞提供的能量和生物合成前體這一觀點已經被廣泛接受。

病毒的繁衍循環是一個動態過程，涉及多種不同的宿主細胞器。 不同的病毒已經演化出其獨特的繁衍策略。實際上，線粒體除了在細胞凋亡過程中發揮作用外，似乎也積極的參與了病毒的復制過程。本文中，闡述了在病毒感染過程中線粒體生物能的調節模式，以及病毒誘導的線粒體功能障礙對細胞代謝的影響。

2.細胞器功能：線粒體ATP合成的基本概述

少量的ATP是通過真核細胞胞質中的糖酵解合成的，絕大多數細胞ATP是由膜結合蛋白復合物合成的，膜結合蛋白復合物主要集中在線粒體的電子傳遞鏈上（ETS）。電子傳輸通過位于線粒體內膜（IMM）上的蛋白復合物之間進行，這些蛋白復合物包含能夠接受或提供一個或多個電子的輔基（黃素，鐵硫基，血紅素和銅離子），電子從底物轉移到最終的電子受體——分子氧，并與氧氣結合生成水。復合物I（NADH泛醌氧化還原酶）從還原的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）接受電子，而復合物II（琥珀酸脫氫酶）從還原的黃素腺嘌呤二核苷酸（FADH2）接受電子，該過程氧化NADH和FADH2，并還原質體醌。復合物III（泛醇-細胞色素c氧化還原酶）負責把電子從質體醌轉移到細胞色素c。復合物IV（細胞色素氧化酶）促進細胞色素c的氧化并將分子氧還原為水（圖1）。蛋白復合物I，III和IV使用來自電子轉移的能量來使質子穿過內膜至膜間隙，并使線粒體內膜形成質子梯度。跨線粒體內膜的pH梯度和跨膜電勢的聯合作用所產生的電化學能稱為質子原動力，當質子通過蛋白復合物返回線粒體基質時，它驅動ADP和Pi合成ATP，利用的是復合蛋白物 V（ATP合酶）通道。線粒體中的電子轉移至此與ADP或ATP合成的氧化磷酸化偶聯。耦合效率的化學計量比是通過摻入ADP的Pi與消耗的O2摩爾數（P / O）的比值來衡量的。有幾個因素影響電子傳遞與ATP合成之間的耦聯，從而影響氧的消耗，包括內膜通透性的改變，解偶聯蛋白的活性，質子的滑移或泄漏以及轉運蛋白的活性（Brown，1992）。線粒體很容易受損，線粒體一旦受損則會對細胞功能造成嚴重后果。例如，線粒體膜通透性（MMP）的病理狀況會影響氧化磷酸化和線粒體ATP合成。因此，由Chance和Williams（1956）提出在完整細胞或通透性細胞中測得的呼吸控制比和P / O比可用于評估不同病理狀態中的線粒體功能是否完整（Pesta和Gnaiger， 2012），包括病毒感染的宿主細胞線粒體功能情況。這些測量結果可用于評估磷酸化能力和電子傳遞能力，呼吸復合物的活性以及偶聯效率等，并且是研究病毒對線粒體功能的影響以及了解病毒性疾病發病機理的重要工具。

圖1.線粒體呼吸鏈和氧化磷酸化：（a）人肝細胞的電子透射顯微照片，顯示線粒體（M）帶有電子致密cr。 （b）感染登革熱病毒的人類肝細胞的電子傳輸顯微照片（電子致密顆粒；箭頭）。病毒顆粒（紅色箭頭）位于線粒體（M）和內質網（ER）附近。

3.細胞器病理：病毒感染期間線粒體的生物能

抗病毒感染后產生的先天免疫反應主要以I型干擾素（IFN-α和IFN-β）、其他促炎性細胞因子和趨化因子為主。感染后，宿主的種系編碼模式識別受體（PRR）可以檢測到病毒成分，如雙鏈RNA（dsRNA）和單鏈RNA和DNA。 dsRNA由兩類PRR感測：內體Toll樣受體（TLR）和胞質維甲酸誘導基因I（RIG-1）樣受體（RLR）。 RLR的信號轉導取決于線粒體抗病毒信號蛋白（MAVS）（也稱為IPS-1，CARDIF和VISA）。 MAVS與線粒體外膜（OMM）相關聯，其定位對于抗病毒免疫反應至關重要（West等，2011）。 MAVS收集了幾種分子來轉導下游信號，這些信號最終將導致NF_B和干擾素調節因子（IRF）的激活，這對于提高適應性免疫應答至關重要。病毒已發展出獨特的策略來篡奪MAVS信號，從而減少早期先天免疫應答，如甲型，乙型和丙型肝炎病毒。MAVS抗病毒信號傳遞的一個顯著特點是它似乎依賴于線粒體的動力學。已證明：調節線粒體融合的線粒體融合蛋白與MAVS相互作用，這對于正確的抗病毒反應至關重要（Koshiba等人，2011）。這表明線粒體網絡的完整性和持續的呼吸能力對于早期抗病毒的先天免疫反應很重要。

線粒體控制病毒感染過程中的凋亡也是先天免疫的重要方面。 在這方面，MMP的調節是通過內在途徑控制細胞凋亡的中心點。 MMP增加，破壞線粒體膜電位并影響線粒體生物能。 病毒已開發出調節MMP并有效控制細胞死亡的策略。 在這方面，抗凋亡或促凋亡的病毒蛋白共同選擇宿主線粒體來調節MMP，從而影響線粒體生物能，進而有利于病毒復制（Ohta和Nishiyama，2011）。

病毒誘導的線粒體生物能學變化是驅動復制的重要機制，可能代表了對病毒感染的早期反應。 人類巨細胞病毒（HCMV）就是這種情況，它是典型的β皰疹病毒，它感染了全球一半以上的人口。 HCMV復制在培養的細胞中很慢，它必須有效地控制細胞能量代謝過程以進行生物合成和病毒體生產。 已經顯示，2.7 kb HCMV編碼的RNA位于線粒體中（Reeves et al。，2007）。 該RNA與線粒體復合體I相互作用，保護細胞免于凋亡并維持細胞ATP含量。 RNA-線粒體相互作用是一項重要的策略，因為它可以快速調節線粒體功能并確保病毒復制。

另一個研究表明，由HCMV表達的抗凋亡蛋白vMIA與參與抗病毒作用的蛋白viperin相互作用，并將后者重新定位于線粒體（Seo等，2011）。 這種重定位降低了脂肪酸氧化和ATP含量，導致肌動蛋白細胞骨架破壞，這似乎使成纖維細胞中的HCMV感染宿主細胞破裂。但是，降低的脂肪酸氧化將會導致病毒復制增加，表明通過脂肪酸氧化產生線粒體ATP對于HCMV復制不是必需的。

代謝組學和通量組學分析也提示了HCMV感染期間改變了線粒體的功能，增加了糖酵解和TCA循環，使代謝通量增加（Vastag等，2011）。

登革熱病毒感染是最常見的蟲媒病毒疾病，會引起急性感染，進而引起生物體的肝功能障礙。 盡管尚未完全了解器官功能障礙的潛在機制，但似乎也與脂質代謝的改變有關。 現有研究表明，自噬誘導的脂滴（LD）中的三酰基甘油（TG）的移動會增強，并確保細胞能量代謝過程中的ATP水平，保證了病毒復制的能量供給（Heaton和Randall，2010）。 HCMV和登革熱病毒復制周期的差異可能可以解釋其對脂質氧化的獨特影響。

Sindbis病毒（典型的甲型病毒）在小鼠中可引起急性腦炎，它是研究人類腦炎的分子機制的重要模型。線粒體生物能學改變可能參與了這一過程。最近，我們觀察到小鼠神經母細胞瘤細胞在Sindbis病毒感染后，其線粒體功能的調節是驅動病毒復制的必要機制（Silva da Costa等，2012）。線粒體功能似乎在感染開始時就發生了改變，與磷酸化耦聯的呼吸能力增強以及與復合蛋白物I相關的呼吸能力增強共同產生的呼吸控制率（RCR）都表明了這一點。隨著感染的進行，復合蛋白物I和II相關呼吸似乎都受到影響，并且ATP含量下降（2011年），盡管HCMV是慢速復制病毒而Sindbis短周期復制病毒，但HCMV和Sindbis病毒都需要增加線粒體ATP的消耗來驅動復制。

在慢性丙型肝炎病毒（HCV）感染中也觀察到線粒體功能的嚴重改變，這是肝病致死的主要原因。 穩定表達HCV多蛋白的人細胞（Ripoli等人，2010）表現出常規呼吸減少和與ATP合成無關的呼吸減少，從而導致RCR降低。

圖2.病毒感染的代謝作用：病毒復制影響線粒體生物能，進而影響整體能量代謝。星形和粗箭頭表示受病毒感染刺激的代謝步驟和治療中潛在的代謝靶標，如文中所述。在HCMV，Mayaro和Kaposi-肉瘤病毒感染后，已觀察到通過糖酵解和戊糖磷酸途徑的通量增加。單純皰疹病毒1通過使草酰乙酸偏離TCA周期而刺激嘧啶的代謝；檸檬酸鹽偏離線粒體用于脂肪酸合成是HCMV利用的機制；登革熱病毒刺激脂質液滴儲存的降解并增加_氧化；另一方面，HCV感染會導致脂質滴中三酰基甘油的利用率降低； HCMV感染后，觀察到谷氨酰胺代謝使碳進入TCA循環的增加；病毒感染后，線粒體電子轉移系統（ETS）受到不同方式的影響。

最后，在接受抗病毒治療的患者中，從感染人類免疫缺陷病毒（HIV）的患者中分離出的CD4 +淋巴細胞的耗氧量顯著降低，ETS和氧化磷酸化能力均明顯降低（Einsiedel等，2010）。抗逆轉錄病毒治療本身會引起這種效應，因為未接受治療的患者的淋巴細胞線粒體呼吸與對照組相似。 然而，關于HIV感染后TCA周期調節的淋巴細胞CD4 +的代謝組學分析尚無定論（Hollenbaugh等，2011）。

因此，線粒體生物能學的調節是病毒誘導的細胞代謝變化的重要方面，了解這些作用可能有助于選擇適當的抗病毒治療方法和后續治療工具。

4.細胞生理學：病毒引起的線粒體功能障礙（對細胞代謝的影響）

與ATP的合成和利用相關的生理機制受到多重調節，因此細胞ATP含量保持恒定。在癌細胞中觀察到線粒體和細胞質之間的交換發生變化，即使在較高氧的分壓下，它們也顯示出通過糖酵解增加從而 保證ATP產生速率。在某些類型的病毒感染中會觀察到類似的效果。例如，在卡波西氏肉瘤相關皰疹病毒的潛伏感染中，線粒體耗氧量的減少可通過糖酵解的增加來補償（Delgado等，2010）。糖酵解抑制劑如草酸鹽和2-脫氧葡萄糖可誘導感染細胞的凋亡。在長期表達HCV多蛋白的細胞模型中也觀察到了糖酵解補償，該蛋白表現出抑制的線粒體功能。糖酵解的增加是由HIF-1穩定介導的，它不僅維持而且還增加了細胞ATP的含量（Ripoli等，2010）。在HCMV（Chambers等，2010）和單純皰疹1病毒HSV-1感染（Abrantes等，2012）之后，同樣觀察到細胞ATP的增加。感染后這種新的ATP穩態對病毒和細胞過程的意義仍有待闡明。正如我們在Mayaro感染中觀察到的那樣，即使在沒有線粒體改變的情況下，糖酵解的上調也被觀察到，這也是由α病毒引起的（El-Bacha等，2004）。似乎葡萄糖代謝會隨著PFK-1活性的增加而改變，這不僅會驅動ATP的合成，而且還會使戊糖磷酸途徑（PPP）的葡萄糖碳偏向生物合成目的。在HCMV感染的細胞中也發現通過PPP的通量增加（Vastag等，2011）（圖2）。 HCMV感染后也顯示了PFK-1的功能激活（Munger等，2006）。

病毒感染還可通過調節TCA周期影響脂質代謝。 HCMV就是這種情況（Vastag等，2011； Munger等，2008）。 HCMV感染將檸檬酸從線粒體轉移到細胞質，在那里它充當ATP-檸檬酸裂解酶的底物，產生草酰乙酸和乙酰輔酶A。后者用作脂肪酸合酶復合物的間接底物以合成脂肪酸（圖2）。實際上，通過抑制脂肪酸的合成，研究者觀察到了較低的病毒產生，表明脂質生物合成的上調對于病毒的包膜和復制很重要。除了代謝中間體的偏離外，固醇調節元件結合蛋白1（SREBP1）的活化似乎是脂肪生成上調和HCMV增殖的關鍵因素（Yu等人，2012）。在不同的HCV感染模型中也觀察到脂質代謝的驚人改變。 HCV感染的細胞（以及感染對象的肝臟活檢）顯示出三酰基甘油的積累增加，并沉積在LD中。 LD的積累對于病毒顆粒的成熟很重要。 PPAR_（Lima-Cabello等，2011）和PPAR_（Wu等，2011）的表達增加和減少似乎與脂肪生成增加有關。另一方面，在HCV感染的情況下，SREBP1表達與脂質代謝之間的關系尚不清楚。針對HCMV，針對脂質代謝的藥物在HCV誘導的肝損傷中顯示出潛在的治療應用。

在單純皰疹病毒1（HSV-1）感染期間也觀察到TCA周期的調節（Vastag等，2011）。 通量組學分析表明，感染HSV-1的細胞偏離了TCA周期的草酰乙酸，并增加了其轉化為天冬氨酸的嘌呤嘧啶的合成（圖2）。 這是一個非常有趣的發現，顯示了另一種依賴中間代謝的病毒復制策略，如在HCMV感染中觀察到的。

此外，由于不同的病毒能夠調節抗氧化酶，病毒感染會誘導控制復制的活性氧（ROS）的產生。 ROS產生的增加可能有助于線粒體生物能學的改變。反過來，功能異常的線粒體可加劇氧化應激，導致能量崩潰和細胞死亡（Kowaltowski等，2009）。已經提出了這種作用用于辛德畢斯病毒感染和HCV感染（Silva da Costa等人，2012； Piccoli等人，2009）。鈣代謝似乎與ROS誘導的線粒體氧化應激有關，如HCV感染所示（Piccoli等，2009），內質網（ER）積極參與這一過程。最近，由于鈣調蛋白依賴性激酶激酶抑制作用降低了糖酵解通量并阻止了病毒復制，因此鈣代謝也被證明參與了HCMV誘導的糖酵解，提示了另一種可能的治療靶點（McArdle等，2011）。病毒誘導的ROS產生也將免疫應答與線粒體聯系起來。 ROS產生增加會增強MAVS向IRF-3和NF_B的下游信號傳導，因此限制了病毒復制。線粒體（通過巨噬自噬選擇性去除線粒體）還通過去除功能異常的線粒體來減弱ROS的產生，并且是控制加劇的免疫反應的手段（West等，2011）。需要確立線粒體作為控制不同病毒復制的機制的影響。

就像針對癌細胞的提議一樣（Smolkova等人，2011），病毒感染會引起新陳代謝的重新編程，從而導致獨特的生物能表型，這對于驅動病毒復制至關重要。 因此，代謝拮抗劑可能不僅對治療病毒感染很重要，而且對我們更好地了解宿主代謝的病毒調節（尤其是不同病毒使用的代謝策略）可能也很重要。 關于線粒體超復合體的組織和感染細胞中線粒體網絡的功能和結構研究是線粒體生理的重要方面。 這些方面都可能闡明了病毒策略，因為它們都與鈣代謝和氧化應激的調節有關。