Nat Microbiol |趙金存團隊發(fā)現(xiàn)首個通過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)威脅人類公共衛(wèi)生的主要病原體。引發(fā)COVID-19的SARS-CoV-2已導致全球超過700萬人死亡，深刻影響了世界；新世紀首次流感大流行在2009年席卷全球，造成至少20萬人死亡。面對病毒侵襲，人體的先天免疫反應，特別是干擾素（IFNs）及其誘導的下游干擾素刺激基因（ISGs），構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）反應的延遲或受損是導致COVID-19和流感重癥的關鍵標志。其中由IFN誘導的單個ISG是構成保護性抗病毒應答的重要組成部分，解析關鍵ISG如何抑制病毒感染，成為當前研究的焦點。2025年12月12日，趙金存教授團隊在《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。

為了探究關鍵ISG表達水平與COVID-19嚴重程度的相關性，該研究團隊首先整合COVID-19患者支氣管肺泡灌洗液（BALF）和外周血單核細胞（PBMC）的單細胞RNA測序數(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胞和恢復期PBMC中的表達水平顯著高于重癥患者，提示GALNT2表達水平與病毒清除和感染進程密切相關。隨后，該團隊進一步分析已公開的全基因組關聯(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、嚴重程度、住院風險等高度相關（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表達水平與COVID-19疾病嚴重程度相關

體外和體內(nèi)功能實驗進一步證實，過表達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）的復制。相反，敲除內(nèi)源性GALNT2則導致病毒復制顯著增強，在敲除細胞系中回補GALNT2可有效限制病毒的感染。該團隊發(fā)現(xiàn)GALNT2能在病毒感染時通過干擾素途徑誘導，認為其作為新型ISG在病毒感染中發(fā)揮廣譜抗病毒活性。基于細胞實驗結(jié)果，該研究團隊構建了GALNT2 KO小鼠，發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性GALNT2敲除顯著增強病毒的感染，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制滴度。相反，使用AAV9載體滴鼻過表達GALNT2（AAV9-GALNT2）可明顯減輕病毒感染的嚴重程度。值得關注的是，該團隊在天然免疫缺陷的IFNARKO和STAT1 KO小鼠中過表達GALNT2，都可顯著降低SARS-CoV-2復制滴度，證明過表達GALNT2可以為免疫缺陷的群體提供有效保護（圖2）。

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

機制研究表明，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，阻礙蛋白酶（TMPRSS2）對Spike S2’的切割，進而抑制病毒與宿主細胞的膜融合過程。同樣，GALNT2可O-糖基化修飾IAV血凝素（HA）蛋白的裂解位點，阻斷其蛋白切割與融合功能。本研究進一步使用cell-cell fusion、假病毒包裝、類病毒顆粒(VLP)感染等方法，驗證被GALNT2 O-糖基化修飾的子代病毒入侵功能受損，這揭示了GALNT2在病毒多輪復制中發(fā)揮抗病毒作用的分子機制（圖3）。

圖3. GALNT2依賴的O-糖基化修飾SARS-CoV-2 Spike和IAV HA

值得注意的是，該研究運用反向遺傳技術，進一步發(fā)現(xiàn)病毒難以通過簡單突變逃逸GALNT2的抗病毒作用。雖然S810/813位點突變病毒（S810/813A，S810/813I）在細胞和小鼠水平能逃逸GALNT2的抗病毒作用，但這些突變同時嚴重損害了病毒自身的復制能力和膜融合效率。這解釋了為何自然演化中出現(xiàn)的相關突變株會迅速消失（圖4）。因此，Galnt2作用靶點非常保守，而且病毒無法簡單通過突變逃逸其抗病毒作用，為廣譜抗病毒藥物開發(fā)提供了全新視角。

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

總之，這項研究首次系統(tǒng)性揭示GALNT2為一個由干擾素誘導、具有廣譜抗病毒活性的關鍵效應分子，通過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制。本研究不僅深化了對宿主-病毒相互作用的理解，也為開發(fā)針對新冠病毒、流感病毒等呼吸道病原的廣譜抗病毒策略提供了新靶點與理論基礎。

廣州醫(yī)科大學/廣州實驗室趙金存教授、汪少伯研究員、中山大學毛洋教授、肇靜嫻教授、美國愛荷華大學Stanley Perlman教授、清華大學丁強教授為共同通訊作者。廣州醫(yī)科大學/廣州實驗室冉偉副研究員、博士研究生楊驚鴻、喻實副研究員、胡慶濤副教授、中山大學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研發(fā)計劃、國家自然科學基金等多個項目的資助和支持。