Cell Reports Methods | 功能基因组筛选和临床数据的综合分析确定了螺内酯在重症COVID-19中的保护作用

编译 | 曾全晨 审稿 | 王建民

今天为大家介绍的是来Russ B. Altman, Yuan Luo 和 Le Cong 团队的一篇论文。目前出现了对现有COVID-19治疗方法具有抵抗力并且能够逃避先前疫苗接种的SARS-CoV-2变异，这进一步强调了针对宿主入侵因子的药物的需求。然而，目前缺乏一种系统和迅速地为病毒感染进行宿主靶向药物优先选择的方法。

宿主细胞入侵是SARS-CoV-2复制周期中的关键阶段，它决定了新变种的毒性。SARS-CoV-2入侵通常依赖于病毒尖峰蛋白与宿主ACE2之间的结合，以及尖峰蛋白在内源性蛋白酶的作用。然而，完整的入侵过程既直接又间接地依赖于数百个宿主基因网络，这个网络仍然不为人们所了解。

高通量功能基因筛选主要使用CRISPR-Cas9系统进行敲除（CRISPR-KO）和激活（CRISPRa）格式的筛选，这为识别促进病毒入侵的宿主基因提供了强大的工具。这些方法使单基因效应的因果推断成为可能。CRISPR筛选还可以量化不同细胞类型和不同干扰模式中的基因效应，这提供了特定的机制洞察，但同时可能限制了从个别实验中得出的结果的推广性。作者假设对多个病毒入侵功能筛选的综合分析将揭示一组宿主入侵基因网络，其对于药物重用具有更具普遍性的影响。作者使用所有公开可用的基因组范围SARS-CoV-2病毒入侵CRISPR筛选进行药物靶标网络分析，发现三种常见药物，螺内酯、卡维地洛和喹硫平，可能是病毒入侵的调节因子。此外，作者使用来自64349名COVID-19患者的医疗记录对这些药物进行了回顾性临床结果分析，支持了螺内酯在保护作用方面的重要作用。

实验部分

图 1

图 2

为了确定促进SARS-CoV-2病毒入侵的宿主亚网络（图1），作者获取了对病毒感染在人类细胞中的单个基因表达影响进行测量的基因组范围CRISPR筛选数据。这些筛选考虑了各种细胞环境，包括肺部和非肺部细胞类型，以及功能干扰。最终的数据集收集包括五个CRISPR-KO和三个CRISPRa筛选。八个筛选在单基因水平上表现出不同程度的相关性，这与其异质性的细胞环境一致（图2A）。88%（7/8）的筛选至少与另一个筛选显著相关，而32%（9/28）的所有成对比较显示显著的正相关（图2B）。在每个筛选类别内，基因水平的一致性更高，在70%（7/10）的CRISPR-KO和33%（1/3）的CRISPRa筛选对中存在显著的正相关。尽管细胞环境整体上与基因水平的相关性没有显著关联，但在肺部组织中进行的筛选对在单基因水平上存在显著的正相关。接下来，作者使用基因集富集分析来量化每个筛选中的功能通路富集情况。在至少两个筛选中显著富集了20个KEGG通路，其中包括一些已知与SARS-CoV-2入侵有关的通路（图2C）。涉及糖胺聚糖和磷酸甘油酸生成的通路最强烈地富集，与它们在病毒附着中的关键作用一致。此外，还观察到涉及神经退行性疾病（阿尔茨海默病、亨廷顿病和帕金森病）的通路显著被降解，以及广泛的突触信号传导。每个筛选的标准化通路富集分数之间的相关性通常比个别基因的相关性更高，尽管基因水平相关性较高的筛选往往也具有更高的通路相关性（图2D）。

图 3

图 4

接下来，作者构建了代表已知药物与在各个筛选中鉴定出的相关基因之间相互作用网络（图3A）。每个网络平均包含117个基因，608个药物和773个边，对应平均密度为1.07%。每个图的平均度数为基因节点6.63，药物节点1.24，总体为2.07。根据每个命中网络内的中心性对药物进行了下游分析的优先排序。没有一种药物在所有筛选中达到显著性，而有209种药物在至少一个数据集中显著。有25种药物在至少三个数据集中达到显著性。药物命中涵盖了一系列功能类别，以钙离子通道靶向化合物为主。三环抗抑郁药是最常见的类别，占命中药物的20%，其次是多巴胺激动剂和非典型抗精神病药物，均占12%。接下来，作者进行了倾向得分匹配（PSM）的回顾性临床分析，以评估候选药物的使用是否与COVID-19疾病严重程度相关（图4A）。通过获取了来自一家大型学术医院系统的电子病历，共计得到了64,349例COVID-19检测呈阳性的患者记录。在符合中心性显著性的药物中，只有三种药物的治疗队列规模足够进行PSM分析：卡维地洛、喹硫平和螺内酯（图4B）。此外还将二甲双胍作为比较对照药物纳入，因为它与COVID-19的严重程度在各种临床研究中都有负相关关联。作者观察到螺内酯使用与转入重症监护病房（ICU）入院之间存在显著的负关联。经多重假设校正，没有观察到卡维地洛或喹硫平与进展为ICU入院或机械通气状态之间的显著关联。

鉴于队列分析中螺内酯使用与严重COVID-19风险的显著减少相关，作者评估了其机制是否可能通过抑制病毒入侵来介导。作者在人类肺上皮细胞系中进行了SARS-CoV-2病毒入侵实验，并设置了一种狂犬病病毒（RABV）对照。在不同剂量的螺内酯下，观察到一种与时间和剂量有关的药物抑制对病毒入侵的作用（图4C），螺内酯剂量与感染细胞计数之间呈强烈的负相关，在最高剂量下感染细胞水平降低了68%（图4D）。此外，平行的RABV实验对照未显示出等效的效果，确认了这种螺内酯抑制作用是特异性地针对SARS-CoV-2蛋白介导的入侵（图4E和4F）。

结论

分析表明，基因组范围的CRISPR筛选为COVID-19药物候选的系统优先级提供了基础，其中许多药物在仅依赖基因表达研究或关联位点命中的方法中不明显。作者确定了三种常见药物，螺内酯、奎蒂普和卡维地洛，作为SARS-CoV-2感染的潜在调节剂。作者研究了这些药物对COVID-19患者临床结果的影响，结果显示螺内酯的使用与ICU入院的可能性相关。

参考资料

Cousins, H. C., Kline, A. S., Wang, C., Qu, Y., Zengel, J., Carette, J., ... & Cong, L. (2023). Integrative analysis of functional genomic screening and clinical data identifies a protective role for spironolactone in severe COVID-19. Cell Reports Methods, 3(7).