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为探究 SARS-CoV-2 劫持人呼吸道上皮细胞的分子机制，研究人员利用单细胞转录组结合 VIPER 等算法，分析不同细胞群的主调控因子（MR），通过 CRISPR 和药物筛选确定关键通路及 11 种候选药物，为抗新冠药物研发提供新策略。
新冠疫情的爆发让人们对呼吸道病毒的研究需求激增，SARS-CoV-2 感染肺部的机制虽已有较多探索，但病毒在不同人呼吸道上皮细胞群中劫持宿主细胞程序的分子调控因子仍不明确。过往研究过度依赖转录组分析和非原代细胞系统，难以揭示细胞类型特异性机制。在此背景下，一项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究应运而生，旨在填补这一领域的空白。
为解决上述问题，研究人员开展了深入研究。他们利用基于网络的单细胞转录组分析，鉴定出控制 SARS-CoV-2 介导的人类纤毛细胞、分泌细胞和基底细胞重编程的主调控因子（MR），并结合 CRISPR 实验和大规模药物扰动筛选，探索病毒 - 宿主相互作用及潜在治疗药物。
研究中用到的主要关键技术方法包括：单细胞 RNA 测序（scRNA-seq），用于分析不同细胞的基因表达；VIPER 及 metaVIPER 算法，用于推断蛋白质活性和主调控因子；ARACNe 算法，用于重建基因调控网络；CRISPR-KO 筛选，用于确定 proviral 宿主因子；PLATE-seq 技术，用于药物扰动后的基因表达分析；ViroTarget 和 ViroTreat 算法，用于预测能逆转 MR 活性的药物。样本来自成人人类肺移植器官供体的气道上皮细胞，在 BSL-3 设施中进行 SARS-CoV-2 感染实验。
一、网络分析识别 SARS-CoV-2 诱导的宿主反应通路
通过对感染 SARS-CoV-2 的气道上皮器官型培养物进行 scRNA-seq 分析，发现感染后基底细胞比例增加，纤毛细胞比例减少，且病毒在不同细胞中均有复制。利用 metaVIPER 分析不同细胞类型的蛋白质活性，鉴定出在基底、纤毛和分泌细胞中异常激活或失活的 MR。与其他研究对比，验证了结果的稳健性。非干扰素（IFN）信号通路，如表观遗传调控因子（HDACs/DNMT）、内体和泛素通路等在感染细胞中富集。
二、感染细胞与旁观细胞分析揭示细胞类型特异性 MR
对比感染细胞与旁观细胞（未感染但受旁分泌影响的细胞），发现感染细胞特异性激活的 MR，如纤毛细胞中的 ITGA2、NCOR1、HDAC1，分泌细胞中的 KAT2B、SMC3 等。这些 MR 涉及细胞间连接、染色质重塑等过程，提示病毒在不同细胞中劫持不同机制促进感染。
三、Proviral 宿主因子在不同细胞中选择性诱导
结合 CRISPR 研究，发现 IRF1、IRF9、STAT1 等 IFN 调节因子及 ATP 酶、RAB14 等参与病毒内化和运输的因子在感染细胞中富集，部分因子如 USP33、CUL5 在多种细胞中均被激活，表明表观遗传重编程是病毒劫持宿主的关键机制。
四、大规模药物筛选确定候选药物
通过 ViroTreat 算法分析 441 种 FDA 批准药物的扰动数据，鉴定出 11 种能逆转 MR 活性的药物，如 bedaquiline、vonoprazan fumarate 等。这些药物靶向表观遗传调控、膜运输等通路，部分药物还可抑制病毒蛋白酶，为临床应用提供了潜在选择。
研究通过整合单细胞网络分析和药物扰动实验，揭示了 SARS-CoV-2 在呼吸道上皮中的细胞类型特异性劫持机制，鉴定出关键 MR 和候选药物。该方法不仅为新冠治疗提供了新方向，还可推广至其他呼吸道病原体研究，为理解病毒 - 宿主互作和开发广谱抗病毒策略奠定了基础。其使用的原代细胞系统和计算方法，为后续研究提供了重要资源和方法论参考。
