昼夜节律在病毒感染中的作用

白冰珂，侯 俊

昼夜节律调控着机体的体温、进食、睡眠和激素等变化，这些生理变化遵循一个约24 h的内在周期[1-2]。昼夜节律的紊乱会导致失眠、抑郁、冠心病、代谢综合征、神经退行性疾病和肿瘤的发生[3]。目前发现的节律基因有CRY1、CRY2、PER1、PER2、PER3、CLOCK、BMAL1、NPAS2、CKIε、NR1D1、NR1D2、RORα、RORβ及RORγ等。这些基因存在于下丘脑的视交叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN）中，在外周组织中也有表达[4]，组成了转录-翻译反馈环路[5]。BMAL1和CLOCK基因编码的Bmal1和Clock蛋白是最重要的核心时钟蛋白，能通过形成异二聚体复合物激活Per和Cry基因的转录，Per和Cry蛋白又通过反向抑制降低Bmall和Clock蛋白的表达，从而以大约24 h 为一个周期的表达形式控制着生物节律[6-7]。

一项关于灵长类动物的最新研究发现，机体组织中80%以上的蛋白质编码基因均表现出日常节律性表达[8]。鉴于病毒生命周期的几乎每个步骤都依赖于宿主机制，因此宿主的节律振荡可以对病毒复制产生直接或间接影响。细胞内运输、生物合成过程、蛋白质合成和染色质组装均有助于宿主细胞通过昼夜节律调节病毒感染。且病毒的早期基因似乎与24 h节律同步，大型DNA病毒在持续性病毒复制和潜伏期重新激活方面可能表现出昼夜节律性[9-10]。当通过破坏关键节律基因转录因子Bmal1消除宿主昼夜节律时，疱疹病毒和甲型流感病毒（influenza A virus, IAV）感染会增强[11]。随着研究的深入，病毒感染与生物节律之间的相互作用也越来越引起人们的关注。本文对昼夜节律在病毒感染中的作用进行综述，以供参考。

1 节律基因影响病毒感染与复制

节律基因在调节病毒复制中有重要的作用。有研究对OR6细胞（一种稳定表达全长HCV 1b基因组的细胞系）进行血清休克后的不同时间点检测节律基因表达，结果发现与野生型细胞相比，OR6细胞中PER和CRY表达降低，而PER的过表达会抑制HCV复制，这与干扰素刺激基因的表达增加有关[12]。HCV细胞表面受体的两个主要分子，即CD81和紧密连接蛋白claudin-1，在同步化的Huh-7细胞中显示出了昼夜节律表达，其表达峰与细胞的BMAL1表达峰相互重合，利用CRISPR沉默BMAL1的表达后可以显著降低两种受体分子的表达水平，且很大程度上抑制了HCV入侵细胞[13]。BMAL1的下调表达又会抑制脂质合成、糖异生、蛋白质合成和胆汁酸合成，与慢性丙型肝炎患者血清丙氨酸转氨酶水平升高和肝纤维化进展有关[14]。

研究发现，BMAL1缺陷细胞更容易被副粘病毒科的两种主要呼吸道病毒呼吸道合胞病毒（respiratory syncytial virus, RSV）和副流感3型病毒感染，而且来自Bmal1-/-小鼠的胚胎成纤维细胞产生的子代病毒比野生型对照多近10倍，表明Bmal1-/-小鼠更容易被RSV感染从而引发更为严重的肺部疾病[15]。BMAL1的表达存在季节性变化，在冬季达到最低值，似乎是季节性呼吸道病毒病高发的原因，因为BMAL1表达降低会增加病毒性疾病的发病几率[16-17]。在肺气肿小鼠模型研究中还发现，IAV感染使肺部节律基因表达重新起作用，并降低了小鼠运动活动节律的幅度。在长期暴露于香烟烟雾的C57BL/6J小鼠中，这种作用更为明显，并伴有体质量减轻和死亡率增加。此外，研究发现感染IAV的Bmal1-/-小鼠表现出增强的肺炎性反应和纤维化反应[18]。

HIV Tat蛋白会直接影响哺乳动物下丘脑上SCN的起搏器，是慢病毒昼夜节律功能障碍的基础[19]。成年AIDS患者和感染了相关慢病毒的哺乳动物在与节律有关的生理功能方面均存在异常，例如运动能力、免疫细胞水平和体温[20-24]。HIV Tat蛋白通过干扰AIDS患者的昼夜节律系统进一步增加褪黑激素的排泄值，从而影响其睡眠质量[25]。此外，核心时钟基因PER1被认为是HIV-1转录的负调节剂，其表达与病毒载量呈负相关，可能与静止CD4+T细胞中病毒的不同潜伏期有关[26]。

一天中病毒感染的时间不同会严重影响病毒的复制。当宿主过渡到日常周期的静止阶段时，免疫应答会进行再生和修复，但在活动阶段开始时会引发病原体攻击。改变感染宿主的时间会显著影响病毒在体内的感染和传播程度。在接受肝移植的HCV感染者队列研究中发现，早晨移植的受试者在术后第1周内病毒RNA水平反弹，而在下午移植的7例受试者中未观察到病毒反弹[27]。另有研究发现，感染鼠疱疹病毒的Bmal1-/-小鼠，病毒复制比野生型小鼠高出3倍多，且野生型小鼠活动期感染鼠疱疹病毒比静息期病毒复制高10倍，敲除Bmal1基因后则没有这种依赖于时间的感染增强效应，表明与昼夜节律周期有关的感染时机对疱疹病毒的发病机制有重要影响[11]。Sengupta等[28]研究也发现，不同感染时间对小鼠的晚期病毒清除率和IAV存活率有极大影响，而这种影响在Bmal1-/-小鼠中被消除。该节律性波动是由肺中的炎症变化所驱动，有利于病毒更好地生存。若在肺气道上皮细胞中敲除Bmal1基因则可以导致嗜中性粒细胞浸润和对肺部IAV感染的反应发生变化，此外24 h RNA测序的分析表明，昼夜节律富集途径中的大量转录组变化与脂质代谢、异物解毒、细胞外基质和趋化因子信号有关[29]。

宿主、非人类病毒库和媒介的节律性都会影响急性和慢性疾病的结局。许多病毒是通过昆虫载体传播的，这些昆虫载体具有自己的昼夜节律，在一天的不同时间活跃度不同，直接影响病毒在活动阶段还是静止阶段感染宿主[30]。登革热病毒通过白天和黄昏/黎明活跃的埃及伊蚊传播给人类，病毒感染会增强蚊子的活性[31]。寨卡病毒的传播取决于季节性气候变化，随着可获得的寨卡病毒病发病率数据的增加，通过明确高低风险传播季节调整怀孕计划，确保敏感的妊娠期与寨卡病毒传播季节不匹配来限制病毒的垂直传播尤为重要[32-33]。

2 病毒感染改变节律基因表达

在进化过程中，病毒可以利用宿主的昼夜节律并改变昼夜节律基因的表达。猴免疫缺陷病毒感染后可导致宿主体温的振幅、数值以及运动活动的昼夜节律发生变化，这些变化与病毒接种引发的急性发热反应无关[34]。HIV被证明可以改变小鼠和人类的昼夜节律系统，其主要的作用机理为HIV编码的转录反式激活蛋白（HIV Tat）通过影响光的夹带途径重置了鼠的生物钟[19]；HIV Tat蛋白的长期过表达降低了小鼠昼夜运转的节奏幅度和运动能力[20]。

此外，在稳定转染了HBV X蛋白的细胞系（Bel-7404-HBx）中进行的体外实验显示，几个核心时钟基因的mRNA表达水平发生了变化，包括CLOCK、PER1和PER2的表达上调以及BMAL1、PER3、CRY1、CRY2和CKIε的表达下调[35]。HCV感染会降低PER2和CRY2的表达[12]。IAV感染改变了受感染小鼠肺中Bmal1、Clock和Rev-erbβ峰值表达的时间，并降低了肺组织外植体中Per2表达的幅度，导致宿主肺部炎症，从而增加了IAV的载量[18]。

值得注意的是，PER2会影响针对病毒感染的先天性和适应性免疫反应的调节剂γ干扰素的信号传导[36-37]。Clock基因可以起到类似组蛋白乙酰转移酶的作用，单纯疱疹病毒（herpes simplex virus,HSV）感染后可利用Clock表达促进病毒基因的转录，沉默Clock基因后会降低病毒蛋白的表达[38-39]。HSV-2受体Nectin-1的表达与病毒滴度增加相关且表达水平随时间波动，研究证明Nectin-1的表达受Clock基因的直接调控，与控制在静止期获得的感染所需的较低药物剂量相比，治疗在活跃期感染的HSV-2需要更大剂量的阿昔洛韦[39]。

3 昼夜节律与机体免疫系统相互调节

昼夜节律系统可以调节宿主对微生物病原体的先天性和适应性免疫反应，从而节省能量利用[40-43]。昼夜节律可以直接与关键炎症途径的成分发生相互作用，反之炎症也可导致昼夜节律紊乱，其可进一步放大炎症反应并加重组织损伤。当生物钟由于失眠、时差、加班等原因被打乱时，一些重要的免疫细胞可能会受到影响，从而导致免疫力下降，并使个体容易被感染[44-45]。先天免疫系统的某些功能取决于昼夜节律[46]，比如BMAL1调节炎性单核细胞（Ly6Chi单核细胞）的昼夜振荡[47]。为了预测环境变化并使感染风险最小化，许多免疫参数会全天振荡[43，48]。Sengupta等[28]研究显示了自然杀伤性T细胞、自然杀伤性细胞和Ly6Chi单核细胞在一天中依赖IAV感染的时间的重要性。淋巴细胞的数量在一天中振荡，而糖皮质激素会诱导T细胞在淋巴器官中蓄积[49]。淋巴细胞昼夜节律的丧失消除了在抗IAV中重要的节律性适应性免疫反应[42]。BMAL1与线粒体功能和代谢途径相关，这会影响免疫细胞的表型和活性。

研究发现促炎细胞因子会破坏昼夜节律，尤其是IL-1[50]。在体外用脂多糖刺激腹膜巨噬细胞后，昼夜节律时钟基因Clock、Bmal1、Per1和Cry1的mRNA水平在2 h内显著下降[51]。NF-κB激活受损可造成TNF-α诱导的细胞凋亡，缺乏CRY蛋白可以增加细胞对TNF-α诱导的细胞凋亡的敏感性，上述研究表明昼夜节律和NF-κB 信号通路之间存在一定的联系[52]。缺乏CRY蛋白可激活促炎性细胞因子的表达，导致先天免疫系统变得高度敏感[53]。PER蛋白可通过调节BMAL1表达来发挥促炎或抗炎作用，而CRY和RORα蛋白通常具有抗炎作用[54-55]。

4 昼夜节律在新型冠状病毒肺炎临床治疗中的潜在作用

严重急性呼吸综合征冠状病毒-2（severe acute respiratory syndrome coronavirus-2, SARSCoV-2）感染后的宿主反应，特别是导致多器官衰竭的侵袭性炎症反应是影响新型冠状病毒肺炎（coronavirus disease, COVID-19）严重程度的重要因素。先天性和适应性免疫系统的几乎所有成分的表达和/或活性，以及炎症免疫反应，都遵循严格的昼夜节律。因此，研究 SARS-CoV-2 病理生理学的昼夜节律和宿主对该病原体的反应将非常有意义。

COVID-19管理的另一个关键是了解在体外抑制SARS-CoV-2或在感染者中引起任何临床改善的药物的给药时间依赖性。包括瑞德西韦在内的许多潜在抗病毒药物的血浆稳定性差和半衰期短，导致对病毒快速和持续扩张的有效性不足[56]。在宿主与病原体之间动态相互作用的情况下，评估最有效的给药时间可以显著提高药物和疫苗的疗效。 因此，在设计针对SARS-CoV-2的候选药物和疫苗时，应考虑昼夜节律，以获得可能的最佳临床效果。

SARS-CoV-2感染会导致宿主体内几种重要的生理过程失调，包括多种代谢途径、蛋白质合成、巨噬细胞功能、细胞凋亡等[57-58]。此外，SARS-CoV-2感染会激活炎症反应、IL信号传导和补体级联反应[57]。几乎所有这些生理过程都由生物钟机制严格控制。最近发表的一项研究使用亲和纯化质谱法鉴定了332种与SARS-CoV-2相互作用的人类蛋白，有30%的表达显示了昼夜节律振荡[59]。对昼夜节律、宿主免疫力和宿主-病毒相互作用之间的复杂关系进行深入研究，有助于揭示SARSCoV-2感染的复杂发病机制，并可能有助于改善针对这种新型病原体的治疗方法，并为公共卫生政策制定提供依据。

5 小 结

当今世界新突发传染病层出不穷，给国家的经济发展、和谐生活乃至人类的生存带来极大的威胁。被病毒感染的细胞会改变其生物学复制过程，以促进自身的复制和传播，SARS、流感、COVID-19等许多传染病的病毒病原体及大量变异株的存在，削弱了已开发疫苗和靶向抗病毒药物的功效，而昼夜节律、免疫系统和病毒感染之间的相互作用又会影响疾病的预后[60]。如何创新开发和利用能更广泛有效地限制病毒作用的物质是科学家们一直在探索的工作。了解病毒如何与宿主昼夜节律的相互作用，能促进病毒感染的临床治疗和致病机制研究，有助于为研发广谱抗病毒药物及病毒的防治提供新思路。

另外，在以昼夜节律治疗或预防病毒感染方面，可能涉及药物治疗和时间疗法。因此，有可能通过改变药物施用时间来改善当前抗病毒疗法的功效。优化一天中的用药时间是个性化治疗的一个方面；对昼夜节律系统更好地理解可能会改变抗病毒应用药物的时间和数量。给药时间取决于药物半衰期，因此半衰期短（6 h或更短）的药物可能对一天中的给药时间更为敏感[56]。

此外，疫苗接种时间也是需要考虑的一个重要因素。CD8+T细胞的昼夜节律会调节其对疫苗接种的反应，与夜晚相比，白天接种树突状细胞疫苗会导致小鼠更高的T细胞活化[61]。与下午（下午3点—5点）相比，早晨（上午9点—11点）接种人流感疫苗更为有效，机体针对多种流感病毒株的抗体反应更高[43]。在具有季节性依赖环境的国家中，疫苗接种月份也可能影响抗体反应和对多种病毒的防护效果。与冈比亚相比，巴基斯坦的疫苗接种月份与狂犬病疫苗的抗体反应之间存在显著关联[62]。B细胞成熟因子（BCMA或TNFRSF17）的表达也表现出季节性变化[17]，其表达水平与对三价流感疫苗的良好反应相关[63]。由此可见，依据昼夜节律通过简单的定时给药或定时接种疫苗的措施可以提高药物效率并减少不良反应，将为临床疾病的治疗提供新的思路和方法。