Pitkän COVID:n mahdollinen patogeneesi ja ehkäisy: SARS-CoV-2-indusoitu mitokondriohäiriö, osa 1

Abstrakti:Potilaat, jotka ovat toipuneet koronavirustauti 2019 (COVID-19) -infektiosta, voivat kokea kroonista väsymystä harjoituksen aikana, vaikka heillä ei ole ilmeisiä sydämen tai keuhkojen poikkeavuuksia. Tehokkaiden hoitojen tämänhetkinen puute tekee pitkän aikavälin COVID-19 hallinnasta suuren haasteen. Yksi pitkän COVIDin taustalla olevista mekanismeista voi olla mitokondrioiden toimintahäiriö. Vakavat akuutin hengitystieoireyhtymän koronavirus 2 (SARS-CoV-2) -infektiot voivat muuttaa solujen energiantuotannosta vastaavia mitokondrioita. Tämä muutos johtaa mitokondrioiden toimintahäiriöihin, mikä puolestaan ​​​​lisää oksidatiivista stressiä. Viime kädessä tämä johtaa mitokondrioiden eheyden menettämiseen ja solukuolemaan. Lisäksi virusproteiinit voivat sitoutua mitokondriokomplekseihin, mikä häiritsee mitokondrioiden toimintaa ja saa immuunisolut ylireagoimaan. Tämä ylireaktio johtaa tulehdukseen ja mahdollisesti pitkiin COVID-oireisiin. On tärkeää huomata, että SARS-CoV-2:n aiheuttamien mitokondriovaurioiden ja tulehdusreaktioiden roolia pitkän COVIDin kehittymisessä selvitetään edelleen. Mitokondrioiden toiminnan kohdistaminen voi tarjota lupaavia uusia kliinisiä lähestymistapoja pitkään COVID-potilaille; lisätutkimuksia tarvitaan kuitenkin tällaisten lähestymistapojen turvallisuuden ja tehokkuuden arvioimiseksi.

Cistanche voi toimia väsymystä ja kestävyyttä lisäävänä aineena, ja kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että Cistanche tubulosa -keittiö voi tehokkaasti suojata maksan maksasoluja ja endoteelisoluja, jotka ovat vaurioituneet painoa kantavissa uimahiirissä, säätelevät NOS3:n ekspressiota ja edistävät maksan glykogeenia. synteesiä, jolloin se tehostaa väsymystä. Fenyylietanoli-glykosideja sisältävä Cistanche tubulosa -uute voi merkittävästi vähentää seerumin kreatiinikinaasi-, laktaattidehydrogenaasi- ja laktaattitasoja ja lisätä hemoglobiini- (HB)- ja glukoositasoja ICR-hiirillä, ja tällä voi olla väsymystä ehkäisevä rooli vähentämällä lihasvaurioita. ja maitohapon rikastamisen viivyttäminen energian varastointia varten hiirillä. Yhdiste Cistanche Tubulosa Tablets pidensi merkittävästi painoa kantavaa uintiaikaa, lisäsi maksan glykogeenivarastoa ja alensi seerumin ureatasoa harjoituksen jälkeen hiirillä, mikä osoittaa sen väsymystä ehkäisevän vaikutuksen. Cistanchis-keite voi parantaa hiirten kestävyyttä ja nopeuttaa väsymyksen poistumista harjoitushiiristä, ja se voi myös vähentää seerumin kreatiinikinaasin nousua kuormituksen jälkeen ja pitää hiirten luustolihasten ultrarakenteen normaalina harjoituksen jälkeen, mikä viittaa siihen, että sillä on vaikutuksia. fyysisen voiman lisäämiseen ja väsymykseen. Cistanchis myös pidensi merkittävästi nitriitimyrkytettyjen hiirten eloonjäämisaikaa ja paransi sietokykyä hypoksiaa ja väsymystä vastaan.

Napsauta Yliväsymys

【Lisätietoja:george.deng@wecistanche.com / WhatsApp:8613632399501】

Avainsanat:SARS-CoV-2; pitkä COVID; patogeeneihin liittyvät molekyylimallit (PAMP:t); mitokondriaalinen häiriö; tulehdusvasteet; oksidatiivinen fosforylaatio; elektronien kuljetusketju

1. Esittely

Vuoden 2019 koronavirustaudin (COVID-19) ensisijainen oire on hengitystiesairaus [1]. Vaikea akuutti hengitystieoireyhtymä koronavirus 2 (SARS-CoV-2) voi kuitenkin myös aiheuttaa maha-suolikanavan oireita ja tulehduksia, jotka voivat vaikuttaa keuhkoihin ja immuunivasteeseen verenkierrossa olevien sytokiinien kautta [2]. Ihmiset, joilla on COVID{8}} jälkeinen sairaus, voivat kokea erilaisia ​​oireita, jotka voivat jatkua viikkoja, kuukausia tai jopa vuosia tartunnan jälkeen [3]. Joskus oireet jopa häviävät ja ilmaantuvat uudelleen. Näitä oireita voi olla vaikea selittää ja hallita. Pitkä COVID on määritelty "merkeiksi, oireiksi ja sairauksiksi, jotka jatkuvat tai kehittyvät alkuperäisen SARS-CoV{11}}-tartunnan jälkeen" [4]. Kliiniset arvioinnit ja rutiininomaisten verikokeiden, rintakehän röntgenkuvausten ja EKG-tulosten arviointi voivat olla normaaleja [5]. COVID{16}} jälkeisten sairauksien yleisimpiä oireita ovat liioiteltu hyperventilaatiovaste harjoituksen aikana, jokapäiväistä elämää häiritsevä väsymys tai heikkous, rasituksen jälkeinen huonovointisuus, kuume ja muut [6,7]. Hapenoton huippu (VO2peak) potilailla, joilla on pitkä COVID{20}}, on huomattavasti normaalia alhaisempi [8]. Ensimmäisinä kuukausina infektion jälkeen, kronotrooppisen vajaatoiminnan ja pienentyneen sydämen minuuttitilavuuden vuoksi, sydän- ja verisuonijärjestelmä voi johtaa alhaiseen VO2-huippuun normaalia pienemmän sydämen minuuttitilavuuden vuoksi [8]. Vaihtoehtoisesti perifeeriset tekijät, kuten lihasmassa, voima ja perfuusio, mitokondrioiden toiminta tai arteriovenoosinen happiero, voivat myös vaikuttaa alhaiseen VO2-huippuun [8]. Nämä oireet ovat samanlaisia ​​kuin potilailla, joilla on myalginen enkefalomyeliitti/krooninen väsymysoireyhtymä ja ihmiset, joilla on geneettisiä mitokondriosairauksia [7,9].

SARS-CoV-2-genomin ja mitokondrioiden samanaikaista paikannusta SARS-CoV-2--infektoituneissa kudoksissa on raportoitu [10]. Mitokondriot voivat olla erittäin herkkiä fysiologisille ja patologisille ärsykkeille, kuten virusinfektioille. Mitokondrioiden eheys ja normaali toiminta voivat muuttua SARS-CoV-2-infektion aikana, mikä muuttaa soluvasteita. SARS-CoV-2:n replikaatio alkaa viruksen indusoimista kaksoiskalvovesikkeleistä (DMV), jotka ovat peräisin endoplasmisesta retikulumista ja lopulta integroituvat muodostaen monimutkaisen kalvoverkoston [11]. SARS-CoV-2 -proteiinien tiedetään kohdistavan selektiivisesti organelliosastoihin, kuten endoplasmiseen retikulumiin ja mitokondrioihin, ja ne voivat sijaita isännän mitokondriomatriisissa [12]. Tämä johtaa mitokondrioiden toimintahäiriöön ja lisääntyneeseen oksidatiiviseen stressiin, mikä lopulta johtaa mitokondrioiden eheyden menettämiseen ja solukuolemaan [13]. Nämä proteiinit yhdistyvät myös mitokondrioiden ei-spesifisiin ja selektiivisiin mitokondrioiden läpäisevyyden siirtymähuokosten (mPTP) komplekseihin, jotka voivat muuttaa mitokondrioiden morfologiaa ja toimintaa, häiritä Ca2+-kiertoa ja estää jänniteriippuvaista kalsiumkanavaa (VDCC) aktiivisuus ja johtaa ionien homeostaasin häiriöön ja mitokondrioiden toimintahäiriöön, mikä häiritsee solujen Ca2+-sykliä ja solujen elinkelpoisuutta [14].

Lisäksi NLR-perheen pyrindomeenia sisältävän 3:n (NLRP3) tulehduksen hyperaktivoituminen johtaa klassisesti aktivoiduissa makrofageissa yliherkkyyteen, kun mitokondrioiden toiminta on vaarassa, mikä lisää mitokondrioiden reaktiivisia happilajeja (mtROS) ja vapaasti kiertävää mitokondrio-DNA:ta (mtDNA). Vaurioituneista mitokondrioista peräisin oleva hapettunut mtDNA, kardiolipiini ja sytokromi, kun ne vapautuvat sytoplasmaan, aktivoivat vaurioon liittyviä molekyylikuvioita (DAMP), mikä johtaa pitkiin paikallisiin ja systeemisiin tulehdusvasteisiin [15–17]. Tässä artikkelissa tarkastellaan hypoteeseja mitokondrioiden tilan muutoksista SARS-CoV{8}}-infektion aikana, mukaan lukien mitokondrioiden redox-homeostaasi, tulehduksen säätely ja antiviraalinen signalointi, ja keskustellaan siitä, miksi mitokondriovauriot voivat myötävaikuttaa pitkään COVID-virukseen.

2. SARS-CoV-2 ja Long COVID

2.1. SARS-CoV-2 Ei-rakenneproteiinit

Koronavirus on yksijuosteinen positiivinen RNA-virus, joka sisältää vaipan. Sen genomi on rakenteeltaan 50 -johtaja-UTR-replikaatti (avoin lukukehys 1ab)-piikki-vaippakalvo-nukleokapsidi-30 UTR-polyA-häntä [18,19]. SARS-CoV-2-viruspartikkelit koostuvat tärkeimmistä rakenneproteiineista, kuten piikkiproteiinista, vaippaproteiinista, kalvoproteiinista ja nukleokapsidiproteiinista. Replikaasipolyproteiinit pilkkovat itse SARS-CoV-2 ORF1a- ja ORF1ab-polyproteiinit muodostaen 16 ei-rakenneproteiinia (NSP1 - NSP16) [20]. Nämä kompleksit osallistuvat replikaatioon ja transkriptioon ja niillä on erilaisia ​​rooleja koko koronaviruksen elinkaaren ajan (taulukko 1). Esimerkiksi NSP16:lla on tärkeä rooli isännän immuunivasteen välttämisessä ja syntyvän viruksen mRNA:n suojaamisessa hajoamiselta [21].

Näiden SARS:n replikaatioon ja transkriptioon osallistuvien ei-rakenteellisten proteiinikompleksien lisäksi mukana on myös avoin lukukehys 3a (ORF3a), ORF3b, ORF3c, ORF3d, ORF6, ORF7a, ORF7b, ORF8, ORF9b, ORF9c ja ORF10. SARS-CoV-2 -infektiomekanismissa (taulukko 2) [22]. Erityisesti SARS-CoV{18}}:lta puuttuu ORF8a verrattuna SARS-CoV:hen [23,24].

2.2. Viruksen PAMP:t

Kun immuunijärjestelmä havaitsee kudosvaurion, tiettyjä molekyylejä vapautuu laukaisemaan immuunivasteen DAMP:ien kautta [53]. DAMP:t ja niihin liittyvät patogeeneihin liittyvät molekyylimallit (PAMP:t) laukaisevat tulehduksen muodostumisen, aktivoivat kaspaasin-1 [54] ja indusoivat mitokondriovaurioita [55] (kuva 1). Toll-like reseptorit (TLR:t) ilmentyvät sekä synnynnäisissä että ei-immuunisoluissa. TLR:ien aktivaatiolla on kaksinkertainen rooli [56], mukaan lukien PAMP:ien tunnistaminen ja eliminointi bakteereissa, viruksissa ja muissa patogeeneissä sekä patogeenien osallistuminen kuolevista tai lysoituneista soluista vapautuvien autogeenisten DAMP:ien tunnistamiseen ja eliminointiin [57]. . Tyypillisiä PAMP:ita ovat nukleiinihapot, mukaan lukien viruksen RNA ja DNA, mutta ne sisältävät myös pinnalle altistuneita glykoproteiineja, lipoproteiineja ja erilaisia ​​kalvokomponentteja [57]. PAMP:ien ja/tai DAMP:ien sitoutuminen voi aktivoida kuviontunnistusreseptoreita (PRR), kuten TLR:itä tai nukleotideja sitovaa oligomerointidomeenia sisältävää proteiinia 2 (NOD2), mikä johtaa NFKB-aktivaatioon ja geenin transkription aktivoitumiseen. Aiemmin on raportoitu, että kaksijuosteisen RNA:n (dsRNA) virus-PAMP:iden tiedetään aktivoivan TLR3:a [58], kun taas yksijuosteisen RNA:n (ssRNA) virus-PAMP:t aktivoivat pääasiassa TLR7/8:aa [59]. Muutokset varautuneiden aminohappojen jakautumisessa Omicron-varianttien piikkiproteiinissa häiritsevät PRR:iden TLR:ien tunnistamista, mikä vähentää NF-KB-reitin ja siihen liittyvien signalointireittien aktivaatiota, mikä estää viruksen replikaatiota ja systeemistä immuunihyperaktivaatiota [60].

2.3. Pitkä COVID

"COVID-19 jälkeinen oireyhtymä", "pitkä COVID-19", "pitkäaikaiset COVID-19-vaikutukset", "pitkämatkailijat", "COVID-19 pitkä häntä" , ja "pysyvät COVID-19-oireet" [61–64] ovat kaikki termejä, joita käytetään kuvaamaan erilaisia ​​tiloja, kuten tulehdusta, elinvaurioiden jälkitauteja, sairaalahoitoa ja sosiaalista eristäytymistä, jotka jatkuvat pitkään SARS-taudin jälkeen. CoV{10}}-infektio [65]. Pitkällä COVIDilla on pitkäaikaista heterogeenisyyttä ja monimutkaisia ​​oireita [66]. Yleisimpiä oireita ovat krooninen väsymys [67]; hengitysoireet (esim. yskä ja hengenahdistus) [67]; rytmihäiriöt, sydämentykytys, hypotensio, kohonnut syke, laskimotromboembolinen sairaus, sydänlihastulehdus ja akuutti sydämen vajaatoiminta [68]; ja neurologisten ja psykiatristen sairauksien oireet (esim. perifeerinen neuropatia, aivosumu, ahdistus ja masennus) [67,69,70]. Diagnostiset klusterit ovat osoittaneet, että pitkällä COVID-viruksella ei ole yhtä fenotyyppiä, vaan sen sijaan kokoelma alafenotyyppejä, joille tehdään erilaisia ​​diagnooseja ja hoitoja [71].

Pitkän COVID-taudin jatkumisen taustalla olevaa mekanismia ei ole vielä tunnistettu [72], mutta on arveltu, että se voi liittyä epänormaaleihin immuunivasteisiin, virusspesifiseen patofysiologiaan, akuutin infektion aiheuttamiin tulehdusvaurioihin [73], infektioiden pysyvyyteen. virus tietyissä kudoksissa [74,75] tai eksosomit ja hypertrofiasolut [76,77], SARS-CoV-2-vuorovaikutukset isännän mikrobiomi/viromiyhteisön kanssa, hyytymis-/koagulaatio-ongelmat ja toimintahäiriöinen aivorungon/emättimen signaali. 78]. Lisäksi SARS-CoV-2:n roolia mitokondriovaurioissa ja sitä seuranneessa immuunivasteessa on viime aikoina pohdittu [79–81]. Esimerkiksi SARS-CoV:n piikkiproteiini-2 voi estää mitokondrioiden metabolisten geenien transkription pitkällä aikavälillä, mikä johtaa sydänlihaksen fibroosiin ja sydänlihaksen supistumishäiriöön [79]. Pitkät COVID-19 neurologiset oireet liittyvät SARS-CoV-2-proteiineihin ja hermosolujen mitokondrioproteiinien poikkeavuksiin [81].

3. Muuttunut mitokondrioiden toiminta SARS-CoV-2-infektiossa

Sekä SARS-CoV-2--indusoidut että passiivisuuden aiheuttamat muutokset voivat lisätä mitokondrioiden toimintahäiriöitä ja myofibrillien hajoamista sekä vähentää mitokondrioiden biogeneesiä ja lihassynteesiä [82]. SARS-CoV-2-tartunnan saaneilla soluilla on epänormaalisti turvonneita mitokondriokristuksia [83]. SARS-CoV{8}}-tartunnan saaneiden solujen mitokondriot ohenevat huomattavasti, ja mitokondriot siirtyvät ja klusteroituvat DMV:tä sisältävän viruksen dsRNA:n ympärille [84]. NSP4 ja ORF9b aiheuttavat rakenteellisia muutoksia mitokondrioissa, samoin kuin ulkokalvon makrohuokosten muodostumista ja mtDNA:lla kuormittujen sisäkalvorakkuloiden vapautumista [85]. Lisäksi mitokondrioihin liittyvät geenit ovat pääasiassa alasäädeltyjä SARS-CoV-2-infektoituneissa soluissa [86]; esimerkiksi mtDNA:n, antioksidanttien (esim. katalaasi, glutationisyntetaasi) ja mitokondrioiden hengitysketjuproteiinien (NDUFA9, NADH: ubikinonioksidoreduktaasin alayksikkö A9; SDHA, sukkinaattidehydrogenaasikompleksin flavoproteiinialayksikkö A; oksidaasiI-alayksikkö c, COX4I1) ilmentyminen vähentyivät merkittävästi SARS-CoV{24}}-infektoituneissa istukassa [87].

SARS-CoV ORF7a:n, ORF8a:n ja ORF9b:n tiedetään sijaitsevan mitokondrioissa, mikä voi estää retinoiinihapon indusoituvan geenin I-mitokondrion antiviraalisen signalointiproteiinin (RIG1-MAVS) riippuvaisen interferonisignaloinnin, tehostaa viruksen replikaatiota, ja tuhoavat mitokondrioiden toiminnan [88]. Mitokondrioiden toimintahäiriö on yksi SARS-CoV{10}}-indusoidun neuropatologian varhaisimmista ja näkyvimmistä neurodegeneratiivisista piirteistä [89]. Lisäksi metaboliset oireyhtymät, kuten diabetes, liikalihavuus sekä sydän- ja verisuoni- ja maksasairaudet, jotka liittyvät mitokondrioihin, johtavat myös SARS-CoV-2-infektion herkkyyteen ja haittavaikutuksiin [90–93], mikä lisää merkittävästi kuolleisuutta. SARS-CoV-2-infektion määrä [94,95]. Monet ympäristökemikaalit, aliravitsemus ja lisääntynyt sosioekonominen stressi voivat myös aiheuttaa mitokondriovaurioita, mikä voi vaikuttaa negatiivisesti COVID-ennusteeseen-19 [96]. Lisäksi sydämen mitokondrioiden häiriöt infektion jälkeen, ROS-tuotanto ja energinen stressi johtavat mitokondrioiden muutoksiin ja sydän- ja verisuonihäiriöihin COVID-19-potilailla, ja haitallisten kardiovaskulaaristen tapahtumien ilmaantuvuus lisääntyy toipuneilla COVID-19-potilailla [97] .

3.1. Mitokondrioiden Ca2+-signaloinnin muutos

Isännän Ca2+-kanava vaikuttaa kaikkiin viruksen tartuntaprosesseihin, jotka tunkeutuvat isännän Ca2+-kanavaan häiritäkseen homeostaasin ja hyödyttääkseen sen elinkaarta isännän eloonjäämisen kustannuksella. Kun varastoitujen Ca2+-kanavien aktiivisuutta estetään, viruksen leviäminen vähenee, mikä vähentää monien vaipallisten RNA-virusten tarttuvuutta [98,99]. Virusinfektion aikana infektoivien aineiden tiedetään myös laukaisevan isäntäsolujen signalointikaskadien säätelyhäiriöitä, jotka vaikuttavat solun kalsiumdynamiikkaan [100, 101]. Tämä voi johtaa kalsiumpitoisuuksien epätasapainoon, mikä voi vaikuttaa mitokondrioiden toimintaan. Lisäksi kuusi spesifistä happamaa jäännöstä (E819, D820, D830, D839, D843 ja D848) SARS-CoV-2-piikkiproteiineissa voivat sitoa kalsiumia, mikä säätelee viruksen kykyä siirtyä lipidikalvoihin. puolestaan ​​vaikuttaa oksidatiiviseen fosforylaatioon (OXPHOS) ja mitokondrioiden kalsiumin sitomiseen [14,102,103].

Endoplasminen verkkokalvo, mitokondriot ja plasmakalvo ovat kaikki mukana kalsiumdynamiikan koordinoinnissa, ja on näyttöä siitä, että virukset itse voivat aiheuttaa muutoksia mitokondrioiden kalsiumsignalointiin. ORF3a:n tiedetään kerääntyvän dimeerisiksi laskoksiksi ja muodostavan ei-selektiivisiä Ca2+-läpäiseviä kationikanavia [104]. Kun ORF3 ekspressoituu, mitokondrioihin liittyvän kalvon (MAM) muodostuminen lisääntyy ja sytoplasminen kalsium kuljetetaan mitokondrioihin endoplasmisen retikulumin kautta, koska ORF3a on kalsiumionien kuljettaja [104]. NSP2 ja NSP4 ovat vuorovaikutuksessa endoplasmisen retikulumin lipidilauttoon liittyvän proteiini 1/2 (ERLIN1/2) -kompleksin kanssa sääteleen Ca2+-signalointia endoplasmisesta retikulumista mitokondrioihin [105]. Lisäksi ORF3a:n aiheuttama kalsiumin sisäänvirtaus aktivoi kalsiumista riippuvaisten kaspaasien ja apoptoosin kytkimen, mikä puolestaan ​​laukaisee ohjelmoidun solukuoleman [106]. SARS-CoV-2-proteiinit häiritsevät merkittävästi solujen kalsiumin perusvärähtelyjä, estävät L-tyypin kalsiumkanavan toimintaa ja aiheuttavat soluvaurioita [14]. SARS-CoV-2-proteiinit muuttavat mPTP:tä, jolloin se avautuu ja laukaisee solukuoleman [14]. mPTP-kompleksin komponenttien SPG7-matriisin AAA-peptidaasialayksikkö (SPG7) ja syklofiliini D:n säätely lisääntyy soluissa, jotka on infektoitu SARS-CoV-2 [107]. SPG7:n, peptidyyliprolyyli-isomeraasi F:n (PPIF) ja mitokondriomatriisin tuontitekijän 23:n (MIX23) tiedetään olevan vuorovaikutuksessa. MIX23:n tuhoutuminen mitokondrioissa paransi merkittävästi mitokondrioiden kykyä sitoa kalsiumia. Sitä vastoin mPTP-salpaajan syklosporiini A:n tiedetään palauttavan mitokondrion Ca2+-retention ja solujen elinkelpoisuuden virusinfektion jälkeen [14]. SARS-CoV-2:n ORF3a, ORF9b 9c, ORF10 ja NSP6 liittyvät mPTP-kompleksiproteiineihin, jotka liittyvät mitokondrioiden toimintahäiriöihin ja solukuolemaan [14].

3.2. Muutos glykolyysi-OXPHOS-tasapainossa

Pitkä COVID on viruksen aiheuttama krooninen ja itsestään jatkuva korjaamaton aineenvaihdunnan epätasapainotila, jolle on tunnusomaista mitokondrioiden toimintahäiriö, jatkuvasti tulehdusta aiheuttava ROS ja siirtyminen kohti glykolyysiä [108]. Virukset voivat muuttaa OXPHOS:n ja mPTP:n toimintoja, mikä johtaa energian ja biosynteettisten resurssien epätasapainoon tai immuunivalvonnan kiertämiseen [109, 110]. SARS-CoV-2:n NSP4 on vuorovaikutuksessa mitokondrion chaperoni-ionipeptidaasi 1:n (LONP1) kanssa, mikä vaikuttaa LONP1:n toimintaan edistääkseen mitokondrioiden proteiinien laskostumista yhdessä mitokondrioiden 70 kDa:n lämpösokkiproteiinin (mtHSP70) chaperonijärjestelmän kanssa [ 111]. OXPHOSissa, joka on koottu riittämättömällä määrällä proteiineja, on vikoja, jotka vaikuttavat OXPHOSin monimutkaiseen toimintaan. Esimerkiksi SARS-CoV-2-tartunnan saaneiden potilaiden bronkoalveolaarisessa huuhtelunesteessä on nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi (NADH): ubikinonioksidoreduktaasiydinalayksikkö V (NDUFV, kompleksi 1), SDHA (kompleksi 2), COR1 (sytokromi c-reduktaasi), ubikinoli-sytokromi c-reduktaasi ydinproteiini 2 (UQCRC2, kompleksi 3), adenosiinitrifosfaatti (ATP) -syntaasin perifeerinen varren alayksikkö F6 (ATP5PF), ATP-syntaasi F1-alayksikkö alfa (ATP5F1A), perifeerinen varren alayksikkö d (ATP5PD), F-tyypin ATPaasi A ja epäorgaaninen pyrofosfataasi 2 (PPA2, ATP-syntaasi) säädeltiin alas [112]. Tartunnan saaneiden potilaiden OXPHOS ei välttämättä toimi kunnolla, mikä johtaa mitokondrioiden aerobisen hengityksen vähenemiseen ja korkeampaan oksidatiiviseen stressiin. Mitokondriokalvon eheys saattaa vaarantua SARS-CoV-2-infektion jälkeen. OXPHOS-komponenttiproteiinien kompleksit II ja IV löydettiin viruksen saastuttaman sytoplasman ja mitokondriomatriisin ulkopuolelta, mikä viittaa siihen, että OXPHOS:n ja elektroninkuljetusketjun toiminnot olivat häiriintyneet [113]. Mitokondrioiden OXPHOS- ja antioksidanttigeenien ilmentymisen heikkeneminen havaittiin, ja elektronien kuljetusketjun ja kalvopotentiaalin menetys johti mitokondrioiden aerobisen hengityksen vähenemiseen ja mtROS:n lisääntymiseen [114]. Mitokondriovaurio käynnistää apoptoosin heikentyneen mitokondrion elektroninkuljetusketjun aktiivisuuden, ATP:n ehtymisen ja lisääntyneen oksidatiivisen stressin yhteydessä [115].

Hyperlaktaatiota havaitaan kaikissa COVID{0}}-kuolemissa [116]. SARSCoV-2-tartunnan saaneiden potilaiden aineenvaihduntareitit ovat muuttuneet, mikä johtaa heikentyneeseen mitokondriohengitykseen ja lisääntyneeseen glykolyysiin, mikä voi pahentaa potilaan tilaa. SARS-CoV-2-proteiinit, jotka ovat vastuussa taudin pahenemisesta, saavat solut vaihtamaan hapettavasta fenotyypistä glykolyyttiseen fenotyyppiin [14]; esimerkiksi SARS-CoV-2:n piikkiproteiini vähentää mitokondrioiden perushengitystä ja ATP:n tuotantoa, lisää glukoosin aiheuttamaa glykolyysiä ja maksimoi portin glykolyyttisen kuljetuskapasiteetin [117]. Tämä tarkoittaa, että SARSCoV-2 voi ottaa haltuunsa isännän mitokondriot helpottaakseen aineenvaihduntareittejään [48,118–120], mikä johtaa korkeampiin laktaatti- ja plasman glukoosiarvoihin SARS-CoV{15}}-tartunnan saaneilla potilailla. Kun solut infektoitiin SARS-CoV-2-kalvoproteiinilla tai ORF3a:lla, mitokondrioiden hapenkulutusaste (OCR) oli alhaisempi ja trifluorimetoksikarbonyylisyanidifenyylihydratsonin (FCCP) aiheuttama maksimaalinen OCR. NSP6 ja NSP7 estivät osittain maksimaalisen OCR:n infektoituneissa soluissa [14]. Tietyt SARS-CoV{24}}-proteiinit saavat solut siirtymään oksidatiivisesta fenotyypistä glykolyyttiseen fenotyyppiin [14]. Hypoksiaa aiheuttaa keuhkojen osallistuminen, mikä edistää glykolyysiä ja laktaatin kertymistä, kun mitokondrioiden toimintahäiriö ja OXPHOS vähenevät. Laktaatin kerääntyminen on haitallista MAVS:n toiminnalle ja voi edelleen vähentää interferonivastetta [121]. SARS-CoV-2-tartunnan saaneiden potilaiden aineenvaihduntareitit ovat muuttuneet, mikä johtaa heikentyneeseen mitokondriohengitykseen ja lisääntyneeseen glykolyysiin, mikä voi pahentaa potilaan tilaa. Tämä tarkoittaa, että SARS-CoV{30}} voi ottaa haltuunsa isäntämitokondriot ja estää sen aineenvaihduntareittejä. Lisäksi laktaatti- ja plasman glukoosiarvot ovat korkeampia SARS-CoV-2-tartunnan saaneilla potilailla.

3.3. Mitokondrioiden dynamiikan muutos

Mitokondrioiden fuusio- ja fissiodynamiikka muokkaa kalvon ultrarakennetta [122], mikä mahdollistaa vaurioituneiden mitokondrioiden poistamisen [123]. Mitokondrioiden morfologia muuttuu tai epävakaa solujen normaalissa fysiologisessa jakautumis-fuusiodynamiikassa, mikä vaikuttaa moniin patologisiin tiloihin [124]. Esimerkiksi mitokondrioiden fuusio-olennaisen proteiinin mitofusiini-2 (Mfn2) estäminen lisäsi ROS-tuotantoa ja lisäsi c-Jun N-terminaalista kinaasia (JNK) ja ydintekijän kappa-kevytketjun tehostajaa (NFkB) aktivoiduissa B-solujen signaloinnissa. , mikä heikentää insuliinin signalointia ja glukoosin ottoa [125]. Lisäksi dyneiiniin liittyvän proteiinin 1 (DRP1, mitokondrioiden fissioproteiini) poikkeava ilmentyminen lisäsi H2O2:n tuotantoa ja vaurioitti mitokondrioita [126].

ORF9b-proteiini välittää DRP1:n hajoamista, mikä johtaa mitokondrioiden epänormaaliin pidentymiseen [46]. Lisäksi infektoidut solut säätelevät geenejä, jotka liittyvät mitokondrioiden ribosomisynteesiin, mitokondrioiden kompleksi I -synteesiin, translokaasiin, mitokondrioiden fissioprosessiin 1 (MTFP1, mitokondrioiden fissiota edistävä proteiini) ja sytokiinisignaloinnin suppressoriin 6 (SOCS6) [{{] 9}}]. Rapamysiinikompleksin 1:n (mTORC1) mekaanisen kohteen alasäätely johti MTFP1:n ja kompleksin I:n ilmentymisen vähenemiseen [127,128]. MTFP1:n vähentynyt ilmentyminen aktivoi tumatekijän kappa-kevytketjun tehostajaa aktivoiduissa B-soluissa (NFKB) ja SOCS6:ssa, mikä johtaa mitokondrioiden hyperfuusioon [129].

3.4. Autofagian ja apoptoosin muutos

Autofagia tarkoittaa käyttämättömien proteiinien ja vaurioituneiden mitokondrioiden poistamista soluista, mutta heikentynyt autofagia johtaa hapenkulutuksen vähenemiseen ja mitokondrioiden aktiivisuuden vähenemiseen. Autofagia voi myös muuttaa soluja tulehdusta edistäviksi generaattoreiksi ja johtaa proteiinipaakkuihin, jotka häiritsevät erilaisia ​​prosesseja. Mitokondrioiden ulkokalvon läpäisevyyttä (MOMP) säätelevät mitokondriot [130], jotka laukaisevat apoptoosin solunsisäisen DNA-vaurion, oksidatiivisen stressin, sytosolisen Ca2+-ylikuormituksen, endoplasmisen retikulumin stressin ja muiden häiriöiden aikana [131]. Virukset heikentävät mitokondrioiden toimintaa pro- ja anti-apoptoottisilla vasteilla [132]. Kun pro-apoptoottiset signaalit vallitsevat, ulkokalvo menettää eheytensä ja vapauttaa uudelleen useita mahdollisesti myrkyllisiä intermembrane space (IMS) -proteiineja sytoplasmaan. IMS ajetaan vapauttamaan apoptoosia indusoivia tekijöitä vasteena DNA-vaurioille, mikä puolestaan ​​johtaa DNA-vaurioon liittyvään entsyymipolymeroitumiseen (ADP-riboosipolymeraasi, PARP) [133–135]. Kun isäntäsolut lähettävät PAMP-signaaleja, inflammasomit oligomeroituvat ja muodostavat reseptoreita, aktivoivat kaspaaseja tuottamaan sytokiinejä ja indusoivat apoptoosia [54]. Inflammasomi aktivoituu, mikä johtaa tulehdusta edistävien sytokiinien (IL-1 ja 12) tuotantoon ja apoptoosiin [136]. Mitokondrioiden läpäisy on kriittinen apoptoosin ja säädellyn nekroosin kannalta [130,131,137].

ORF6 lokalisoituu autofagosomiin ja lysosomaalisiin kalvoihin [33]. Lisäksi ORF9b indusoi autofagiaa autofagiaan liittyvissä 5 (ATG5) -välitteisissä isäntäsoluissa [46]. ORF3a ja ORF8 osallistuvat apoptoosiin [42]. NSP4 on vuorovaikutuksessa B-solulymfooma 2:n (BCL2) antagonistin/tappaajan (BAK) kanssa välittääkseen makrohuokosten muodostumiskykyä. ORF9b estää BCL2-perheen proteiinimyelooisen leukemian-1 (MCL1) antiapoptoottista jäsentä ja indusoi mtDNA:ta sisältävien sisäkalvorakkuloiden muodostumista. BAK:n poistaminen ja/tai MCL1:n liiallinen ilmentyminen kumoaa merkittävästi SARS-CoV-2-välitteisen mitokondriovaurion. Samaan aikaan ORF9b ja ORF9c ovat vuorovaikutuksessa organellien kanssa, mikä johtaa antiviraalisten vasteiden estymiseen infektoituneissa soluissa [138].

3.5. Solujen kuolema ja mtDNA:n vapautuminen

MOMP:n aktivaatio johtaa solukuolemaan sytokromi c:n vapautumisen, apoptoosin proteaasia aktivoiva tekijä-1 (APAF-1) riippuvaisen ja deoksiadenosiinitrifosfaatista (dATP) riippuvaisen kokoonpanon kautta, mitä seuraa kaspaasin aktivaatio ja osallistuminen tulehdusta edistävistä signalointitoiminnoista. ORF3a osallistuu nekroottiseen solukuolemaan ja lysosomaalisiin vaurioihin [28] ja vaikuttaa viruksen replikaatioon ja virulenssiin [26]. ORF6:lla ja ORF7a:lla on osoitettu olevan voimakkain sytotoksisuus [33].

SARS-CoV-2 infektoi mitokondrioita ja muodostaa kaksikalvoisia vesikkelejä, jotka puolestaan ​​johtavat mtDNA:n vapautumiseen verenkiertoon ja immuunivasteen aktivoitumiseen, mikä johtaa vakavaan tulehdusta edistävään tilaan [139]. COVID{5}}-potilaiden mtDNA-vaihtelut voivat ennustaa sairauden asteen ja vakavan taudin kehittymisriskin [140 141]. Apoptoosin jälkeen mtDNA:ta vapautuu, mikä entisestään pahentaa paikallisia ja systeemisiä tulehdusvasteita [142]. COVID{10}}-potilaiden plasmassa on määritetty positiivisia korrelaatioita mtDNA-tasojen ja tulehdusta edistävien merkkiaineiden välillä [143,144]. Tätä käytetään nyt COVID{13}}-vakavuuden indikaattorina tai kuolleisuuden ennustajana. Lisäksi kun mtDNA vapautuu sytosoliin, se toimii DAMP:na, mikä puolestaan ​​aiheuttaa "sytokiinimyrskyn" ja estää liiallisten tulehdusreaktioiden säätelyä soluissa [143].

4. Mitokondrioiden redox-tila ja tulehdusvaste

Yksilöillä, joilla on huonosti toimivia mitokondrioita, virus voi "kallistaa" isännän kroonisen tulehduksen kierteeseen. Mitokondrioilla on elintärkeä rooli solujen energiantuotannossa ja ne ovat keskeinen osa synnynnäistä immuunivastetta. Kun mitokondrioiden kalvo ja elektronien kuljetusketjun kompleksi hajoavat, syntyy enemmän ROS:ia kalvopotentiaalin menetyksen vuoksi, mikä voi johtaa oksidatiiviseen stressiin [114] ja tulehdusreittien aktivoitumiseen [145]. Vaikka ROS:n tuotanto on kriittistä immuunivasteissa, ylimääräinen ROS voi vahingoittaa isäntäkudoksia ja pahentaa tulehdusta [146]. Lopuksi se voi vahingoittaa kudoksia tai elimiä, mikä johtaa sellaisiin seurauksiin kuin lihashäiriöt [147]. MtROS – jota on korkeampi SARS-CoV-2--infektoituneissa soluissa ja monosyyteissä – voi tehostaa tulehdusvasteita IL1-:n voimistuessa [112,148]. Lisäksi DAMP:ita, kuten hapettunutta mtDNA:ta, voi vapautua sytoplasmaan, mikä pahentaa tulehdusta aktivoimalla tulehdusta [149]. Kun isäntäsolut lähettävät PAMP-signaaleja, inflammasomit oligomeroituvat ja muodostavat reseptoreita, aktivoivat kaspaaseja tuottamaan sytokiinejä ja indusoivat apoptoosia [54].

SARS-CoV-2:n ORF:t osallistuvat myös infektioprosessin tulehdusmekanismiin. ORF3d N-terminaaliset ja ORF8-proteiinit saavat aikaan voimakkaita vasta-ainevasteita [32]. ORF9b myös aktivoi tulehdusta välttääkseen immuunivasteen ja edistääkseen viruksen replikaatiota [48]. SARS-CoV:n ORF3b [29], ORF6 [34,35], ORF7a [38], ORF8 [43,44] ja ORF9c [31,49–51] ovat tärkeitä interferoni-I-antagonisteja, jotka indusoivat heikentynyttä isännän immuunivastetta. [138]. ORF7a kaappaa isännän ubikvitiinijärjestelmän parantaakseen kykyä antagonisoida interferoni-I-vasteita [39]. ORF8 on vuorovaikutuksessa suuren histokompatibiliteettikompleksin (MHC-I) kanssa [24], aktivoi IL-17-signalointireitin ja edistää tulehdusta edistäviä sytokiinejä [45]. ORF9c-proteiini on vuorovaikutuksessa NFkB:hen liittyvien molekyylien läheisten proteiinien kanssa [31], mikä heikentää antigeenin prosessointia ja esittelyä ja komplementtisignalointia ja indusoi IL-6-signalointia [49]. ORF7a sitoutuu CD14+-monosyytteihin, mikä johtaa antigeenin esiintymisen vähenemiseen ja indusoi tulehdusta edistävien sytokiinien huomattavaa ilmentymistä [40].

4.1. Mitokondriot indusoivat NLRP{2}}-pohjaista tulehdusvastetta

Pro-inflammatorinen NLRP-3-signalointi aktivoi sytokiineja ja synnyttää siten mitokondrioihin liittyviä tulehduskaskadeja [150–152]. Tämä koskee erityisesti iäkkäitä potilaita, joilla NLRP{5}}-tulehdus lisääntyy iän myötä [153]. Tämä pahentaa SARS-CoV-2-infektiota [154]. Mitokondrion fosfolipidi-kardiolipiini voi suoraan sitoa ja aktivoida tulehduksellisen kompleksin NLRP3 [152]. Mitokondrioiden synnyttämät ROS:t osallistuvat NLRP3-tulehduksen aktivoitumiseen [152]. NLRP3-tulehduksen stimulaatio johtaa kaspaasin-1 aktivoitumiseen, mikä puolestaan ​​johtaa sytokiinien, kuten interleukiinin (IL)-1 ja IL-18 proteolyysiin [54]. ORF3a aktivoi pro-IL-1-geenin ilmentymisen ja IL-1-erityksen, mikä lopulta aktivoi NFkB-signaloinnin ja NLRP3-tulehduksen edistäen sytokiinimyrskyä [27].

Virusproteiinit ovat suoraan vuorovaikutuksessa NLRP3:n komponenttien tai säätelyproteiinien kanssa, mukaan lukien vuorovaikutus NLRP3-reseptorin kanssa nukleokapsidiproteiinin kautta ja ORF3a:n vuorovaikutus kaspaasi 1:n ja TNF-reseptoriin liittyvän tekijän 3 (TRAF3) kanssa [27,28,155]. PAMP:ien ja DAMP:iden kanonisten NLRP3-aktivaatioreittien lisäksi SARS-CoV:n vaippaproteiinit ORF3a ja ORF8b toimivat NLRP3-agonisteina [27 156 157] ja niillä on rooli tulehduksen patogeneesissä [158, 159]. Lisäksi proinflammatoristen sytokiinien, kuten IL-18 ja IL-1b, NFkB-riippuvaisten kohdegeenien transkriptio lisääntyy nukleokapsidi-, piikki-, ORF7a- ja OFR3a-proteiinien avulla [28,155,160,161]. ORF3a-proteiini stimuloi NLRP3-kaskadia luuytimen makrofageissa ja indusoi IL-1 -välitteisiä tulehdusvasteita [151,162].

4.2. TLR7- ja TLR9-signaloinnin aktivointi

SARS-CoV-2-infektion aikana TLR:t sitovat ensin ligandinsa ja sitten värväävät adapteriproteiineja, kuten myeloidisen erilaistumisen primaarisen vasteen 88 (MyD88) ja adapterin indusoitavan interferonin (TRIF), joka sisältää TIR-domeenin, joka aktivoi alavirran immuunijärjestelmän. molekyylireittejä [163], mikä suojaa kehoa tunkeutuvilta antigeeneiltä. TLR:ien liiallinen aktivaatio voi kuitenkin johtaa vakaviin tulehdusreaktioihin, mikä johtaa loukkaantumiseen ja jopa kuolemaan [56,164]. Lisäksi, kun mtROS lisääntyy, se johtaa mitokondrioiden toimintahäiriöihin ja mtDNA-vuotoon, mikä indusoi TLR9- ja NFkB-aktivaatiota ja tulehduksellisten sytokiinien vapautumista [165].

TLR7:n voivat aktivoida ssRNA:t, jotka sisältävät runsaasti guanosiinia (G) ja uridiinia (U) [166]. Kaksi GUrichin ssRNA-sekvenssiä SARS-CoV:ssa TLR7 tunnistaa SARS-CoV-2:n immuunisoluissa ja laukaisee tyypin I interferonin ja tulehdusta edistävien sytokiinien tuotannon [168,169]. TLR9 voi tunnistaa runsaasti sytosiini-guaniinia (CpG) sisältäviä sekvenssejä viruksesta ja mtDNA:sta [170], ja CpG SARS-CoV-2-vaippaproteiinissa ja ORF10:tä koodaava alue voidaan tunnistaa TLR9:llä ligandiksi [171]. TLR9 edistää tulehdusta NFkB-signaloinnin ja IL-6-tuotannon kautta, ja se heikentää endoteelisolujen toimintaa vähentämällä endoteelin typpioksidisyntaasin (eNOS) ilmentymistä [165].

4.3. MAVS-signalointi säätelee tulehdusvasteita

Virusinfektion jälkeen MAVS käynnistää synnynnäisen immuunivasteen mitokondrioiden kautta. MAVS:ää välittää translokaasien vuorovaikutus mitokondrioiden ulkokalvoproteiinien (TOM) kanssa; esimerkiksi STING (MITA) – endoplasmisessa retikulumissa, mitokondrioissa ja mitokondrioihin liittyvissä kalvoissa oleva transmembraaniproteiini – edistää MAVS:n aktivoitumista [172]. Ring Finger Protein 5 (RNF5) säätelee MAVS-signalointia ubikvitinoimalla MITA:ta [173].

TOM70 osallistuu proteiinin kuljetukseen elektronien kuljetusketjun kompleksin muodostamiseksi mitokondrioissa [174]. TOM70 on vuorovaikutuksessa TANKia sitovan kinaasin (TBK1) kanssa lämpöshokkiproteiini 90:n (HSP90) kautta tuoden signaalin mitokondrioiden ulkopuolelle [175] ja aktivoi siten interferonivasteen. TOM70 aktivoi TBK1:n HSP90:een ja vie signaalin mitokondrioiden ulkopuolelle aktivoidakseen interferonin [50]. Kun interferonin säätelytekijä (IRF) -3 sitoutuu HSP90:een, se laukaisee MAVS-kompleksin, E3 yhdistää tuumorinekroositekijäreseptoriin liittyvät tekijät 3 ja 6 (TRAF3 ja TRAF6) aktivoidakseen NFkB:n, ja IRF tarjoaa antiviraalisen suojan [ 176]. Samaan aikaan SARS-CoV-2:n membraaniproteiini estää TRAF3:n, TBK1:n ja IRF3:n aggregaatiota MAVS-kompleksiksi [177]. ORF9b estää TOM70:n ja HSP90:n välistä vuorovaikutusta ja muodostaa kompleksin TOM70:n kanssa vaikuttaen siten mitokondrioiden elektronien kuljetusketjuun [51], vähentäen interferonin säätelemää isännän immuunivastetta [47] ja indusoimalla apoptoosia [50].

Lisäksi SARS-CoV-2 estää interferoni 1:n ja interferoni 3:n häiritsemällä MAVS-reittiä [178]. Kalvoproteiini estää interferonin aktivoitumista säätelemällä MAVS:ää alaspäin [177,178]. NSP13 estää TBK1:n fosforylaatiota ja estää MAVS-reitin alavirran [38]. ORF6 estää interferonin induktion MDA-5:n, MAVS:n ja TBK1:n vaikutuksesta [179]. ORF3 indusoi interferonireseptorialayksikön 1 (IFNAR1) ubikvitinaatiota interferoni 1:n aktiivisuuden vähentämiseksi [180].

【Lisätietoja:george.deng@wecistanche.com / WhatsApp:8613632399501】