A Severe COVID-19-associated hNTPDase2 Variant is Enzymatically Inactive

在我们身体的微观世界中，细胞不断通过化学信号进行交流，其中一些信号是由被称为核苷酸的分子构建而成的。在这些分子中，一种被称为 ATP 的分子扮演着强力信号的角色，它可以触发炎症，本质上是鸣响警报，以召集免疫系统前往受伤或感染部位。在正常情况下，人体拥有一支精密的清理小组——酶，它们负责在这些信号完成任务后将其分解，防止警报鸣响过响或持续时间过长。其中一种名为 hNTPDase2 的酶位于某些细胞表面，就像一把专门的剪刀，通过剪断 ATP 及类似分子来控制它们的水平。当这套系统正常工作时，炎症是受控且被遏制的。然而，当这些信号分子的水平过高时（如在严重的呼吸道疾病病例中所见），由此产生的过度活跃的免疫反应可能会损伤其试图保护的组织本身。

研究人员早已知晓，遭受严重新冠肺炎（COVID-19）症状的患者通常表现出这些胞外信号分子水平极高的危险情况。最近，由加拿大拉瓦尔大学（Université Laval）团队发表的一项研究调查了在其中一些患者身上发现的一种特定遗传变异，这可能解释了为什么他们的身体无法调节这一过程。科学家们聚焦于 hNTPDase2 酶基因代码中的一个微小错误，这种突变在医学数据库中已被标记为具有潜在危害性。通过在实验室中重建这一特定的遗传变异，该团队发现，这种突变完全破坏了该酶的功能。他们的研究结果表明，携带这种遗传缺陷的个体缺乏清除过量 ATP 所需的“分子剪刀”，这可能导致他们的气道处于不受控制的炎症状态，从而加剧疾病的严重程度。

这项研究始于对严重新冠肺炎患者体内特定基因序列的仔细检查。研究人员在 hNTPDase2 酶的 DNA 指令中发现了一个字母的缺失。在遗传学的语言中，这种微小的缺失会导致整个剩余序列的读取方式发生偏移，就像从一个句子中删掉一个字母，并改变了后面所有单词的含义一样。这种偏移导致了提前终止信号的产生，使得身体构建出的蛋白质比全长版本显著缩短。原本通常由 495 个构建模块（即氨基酸）组成，而突变后的蛋白质在 408 处便停止了。这种截断至关重要，因为它切断了蛋白质的最末端，移除了被称为 C-末端跨膜结构域以及其他几个对酶发挥作用至关重要的部分。

为了准确理解这一遗传错误对酶功能意味着什么，科学家们在实验室环境中重建了这种突变。他们使用了一种称为定点诱变（site-directed mutagenesis）的技术，将完全相同的单字母缺失引入到他们克隆的一段 DNA 序列中，从而创造了一个被称为 hN2COV 的酶版本。随后，他们将这段遗传代码插入到活细胞中——具体是一种常用于蛋白质生产的仓鼠细胞系——以观察细胞是否会构建出这种缺陷的酶。为了确保能够追踪该蛋白质，他们在正常版本和突变版本的末端都添加了一个小的分子标签。团队确认，细胞确实正在产生产生突变蛋白的 mRNA 指令，证明了遗传代码正在被读取。然而，当他们使用旨在识别正常酶的抗体来寻找实际的蛋白质时，却并未发现它。这表明突变后的蛋白质要么是不稳定的，要么是结构差异大到标准检测工具无法识别。

随后，研究人员转向了一种更直接的方法，以观察这种突变酶是否仍能发挥作用。他们测量了该酶分解 ATP、ADP、UTP 和 UDP（即它本应处理的四种主要分子）的能力。通过一种检测这些分子在分解过程中释放磷酸盐的标准化学测试，他们将正常酶的表现与突变版本进行了对比。结果非常鲜明且具有决定性：正常酶能高效分解 ATP 和 UTP，正如预期那样。相比之下，突变的 hN2COV 完全没有任何可检测到的活性。它完全无法分解这四种底物中的任何一种。这证实了该突变不仅仅是一个微小的故障，而是功能的完全丧失，使该酶变得毫无用处。

这种完全失效的原因在于蛋白质丢失的具体部分。酶缺失的尾部包含一个关键的氨基酸——半胱氨酸 399（Cysteine 399），已知它能与蛋白质的另一部分形成化学桥接以维持其形状。没有了这个桥接，酶就无法正确折叠。缺失的部分还包括一个通常附着糖分子的位点（这一过程对于酶的完整活性至关重要），以及其他帮助酶抓取目标分子的残基。团队指出，该突变用一段由 18 个新的、不属于任何已知蛋白质家族的随机氨基酸组成的短链替换了原本缺失的天然尾部，因此该酶不可能通过获得新功能来补偿损失。

这一发现的影响超出了实验室台面。虽然这种酶并不存在于全身循环的血液细胞中，但它存在于包括鼻子和支气管在内的呼吸道黏膜中。这正是导致新冠病毒进入并攻击人体的精确位置。在其他呼吸道感染（如流感）中，气道内高水平的 ATP 已被证实与严重的肿胀和液体积聚有关。研究人员提出，在携带这种特定遗传突变的患者中，由于气道内缺乏功能性的 hNTPDase2，导致病毒感染期间产生的过量 ATP 无法被清除。这种积累可能会让免疫警报鸣响得过响，导致更具侵略性和破坏性的炎症反应，从而加剧疾病的严重程度。

该研究并未声称这种突变是导致重症新冠肺炎的唯一原因，也没有暗示每位重症患者都携带这种特定的遗传缺陷。相反，这项工作为为什么一部分人的病情可能更为严重提供了一个明确的机制解释。通过证明这种变体在酶学上是失活的，研究人员识别出了一个潜在的生物学脆弱点。研究结果表明，气道内核苷酸信号传导的中断可能是一个局部因素，会加剧病情，并指向了人体自然防御机制失效的特定领域。这一洞察为重症病例提供了更清晰的生物学图景，并强调了遗传变异在个体应对呼吸道感染方式中的重要性。