《PLOS Pathogens》：Disclosing pathogenic processes of monkeypox (MPOX) and drug repurposing through host-transcriptomics analysis
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猴痘（MPOX）病毒感染于2022年在非洲爆发，最初被视为一种被忽视的热带病（NTD），现已被公认为全球性健康问题。近期在全球范围内的传播强调需加强对MPOX的关注。尽管已有一些针对MPOX的疫苗，但由于认知不足或不可及性，全球大多数人仍未接种。然而，迄今尚无
猴痘（MPOX）病毒感染于2022年在非洲爆发，最初被视为一种被忽视的热带病（NTD），现已被公认为全球性健康问题。近期在全球范围内的传播强调需加强对MPOX的关注。尽管已有一些针对MPOX的疫苗，但由于认知不足或不可及性，全球大多数人仍未接种。然而，迄今尚无获批的抗MPOX药物。因此，开发有效的抗MPOX药物至关重要。本研究尝试基于MPOX相关的宿主关键基因（hKGs）揭示其致病过程和治疗策略。首先，研究人员分析了三个转录组图谱数据集，在MPOX患者与对照组之间鉴定出166个共同的宿主差异表达基因（hDEGs），包括75个上调基因和91个下调基因。随后，通过蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络分析，筛选出六个排名最高的宿主关键基因（hKGs）：ALB、HSP90AA1、CDH1、PTPRC、IGF1和ABL1，作为潜在的MPOX致病基因。对这些hKGs的功能富集分析揭示了MPOX感染的关键致病过程，包括生物学过程、分子功能、细胞组分和KEGG通路。涉及转录因子和miRNA的调控网络分析进一步提供了对疾病机制的深入认识。基于分子对接分析，五个排名最高的药物分子——替考韦瑞马特（Tecovirimat）、贝克拉布韦（Beclabuvir）、马拉维罗（Maraviroc）、拉替拉韦（Raltegravir）和布林西多福韦（Brincidofovir）——被确定为潜在的可重定位抗MPOX治疗药物。ADME/T及药效相似性评估证实了这些候选药物具有良好的药代动力学特性。此外，对前三组复合物（ALB-替考韦瑞马特、CDH1-马拉维罗和PPARG-贝克拉布韦）进行的100纳秒分子动力学（MD）模拟显示了较强的结合稳定性，这得到了RMSD、RMSF和MM-GBSA结果的支持。因此，本研究提供的结果可能成为MPOX患者诊断和治疗的潜在资源。然而，这些发现仍需湿实验室实验验证以作进一步确认。
一、研究背景与目的
猴痘（MPOX）是由双链DNA病毒引起的感染性疾病，长期以来构成公共卫生威胁。2022年5月的MPOX疫情严重影响了社会生活，世界卫生组织（WHO）于2022年7月23日宣布其为国际关注的突发公共卫生事件（PHEIC）。该病毒存在于两种形式：细胞内成熟病毒（MV）和细胞外包膜病毒（EV）。MV通过附着和融合/裂解进入宿主细胞释放遗传物质，而EV则通过胞吐作用排出。病毒通过抑制干扰素信号和调节抗病毒机制来逃避免疫检测。虽然已有JYNNEOS和ACAM2000等疫苗，但全球大多数人因认知不足或疫苗不可及而未接种。尽管替考韦瑞马特（Tecovirimat，TPOXX，ST-246）和布林西多福韦（Brincidofovir，CMX001，Tembexa）等口服抗病毒药物已获FDA批准用于天花治疗并对正痘病毒显示活性，但其临床有效性仍有限。由于病毒RNA常因环境压力发生变异，以病毒蛋白为导向的抗病毒药物可能失活或产生耐药性。相比之下，宿主靶向蛋白更稳定且不易受此类变异影响，使其成为抗病毒策略中有吸引力的替代靶点。因此，本研究旨在通过生物信息学方法进行宿主转录组学分析，揭示猴痘（MPOX）的致病过程并探索可重定位的候选药物。
二、主要技术方法概述
研究人员从GEO数据库获取三个微阵列数据集（GSE36854含2个MPOX感染样本和2个对照样本，GSE24125含24个感染样本和28个对照样本，GSE11234含48个感染样本和28个对照样本），分别采用LIMMA R包识别MPOX组与对照组间的差异表达基因（DEGs）。利用STRING v11.5构建蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络并通过Cytoscape可视化，采用CytoHubba插件的多种中心性度量筛选宿主关键基因（hKGs），并通过Python NetworkX库进行100次重复的自举重采样评估稳定性。通过JASPAR和TarBase数据库分别构建转录因子（TFs）-hKGs和miRNAs-hKGs互作网络。使用GeneCodis数据库进行GO和KEGG富集分析。收集215种抗病毒药物分子，利用AutoDock Vina进行分子对接筛选候选药物，并通过ADMETlab 2.0、pkCSM和ProTox进行ADME/T评估。采用Desmond v2020-4进行100纳秒分子动力学（MD）模拟，并通过MM-GBSA计算结合自由能。此外，利用CLUE平台进行连接图谱（CMap）分析。
三、研究结果
3.1 宿主差异表达基因（hDEGs）的鉴定
研究人员从三个数据集中分别鉴定出DEGs：GSE11234有1617个上调基因和7097个下调基因，GSE36854有1255个上调基因和3345个下调基因，GSE24125有1523个上调基因和6432个下调基因。三个数据集共有的DEGs为166个，其中75个上调，91个下调。
3.2 MPOX致病宿主关键基因（hKGs）的鉴定
基于166个共同DEGs构建的PPI网络包含166个节点和3370条边。通过六种中心性度量的平均排名筛选出八个候选基因，经100次自举重采样稳定性评估后，最终确定六个稳定的hKGs：ALB、HSP90AA1、CDH1、PTPRC、IGF1和ABL1。
3.3 hKGs关键调控因子的鉴定
通过hKGs-TFs互作网络分析，选择三个排名最高的转录因子（TF）蛋白：FOXC1、PPARG和YY1作为hKGs的转录调控因子。通过miRNAs-hKGs互作网络分析，选择两个排名最高的miRNA：hsa-mir-15a-5p和hsa-mir-34a-5p作为hKGs的转录后调控因子。
3.4 GO和KEGG富集分析
富集分析显示，hKGs主要参与MAPK和ERK1/ERK2信号级联等关键细胞过程，这些过程对炎症和免疫反应至关重要。细胞组分方面富集于细胞外外泌体和质膜，分子功能方面富集于受体结合和激酶活性。KEGG通路分析突出了细胞粘附分子、PI3K-Akt信号和Ras信号等通路的重要性。
3.4.1 分子对接探索候选药物
以八个hKGs及其调控TFs作为受体，与收集的药物分子进行分子对接。结果显示五种药物（替考韦瑞马特、贝克拉布韦、马拉维罗、拉替拉韦和布林西多福韦）对所有受体均表现出显著高于标准阈值（-7.0 kcal/mol）的结合亲和力。
3.4.2 药效相似性检查
五种候选药物基于利平斯基五规则（RO5）进行了评估，所有化合物均符合大多数药效相似性关键标准，具有良好的药代动力学特征和生物利用度。
3.4.3 药代动力学（PK）和毒性分析
所有化合物的肠道吸收（HIA）值均较高（≥68%），Caco-2通透性可接受，支持口服给药潜力。血脑屏障（BBB）渗透性评估显示所有化合物均低于0.3，表明中枢神经系统暴露有限。代谢评估考察了细胞色素P450（CYP）酶相互作用。毒理学评估（AMES测试和皮肤致敏分析）表明所选化合物无致突变性且不太可能引起皮肤不良反应。
3.4.4 连接图谱（CMap）分析
马拉维罗和拉替拉韦在多种人类细胞系（包括A549、HeLa和HEK293）中表现出负归一化连接分数（NCS < -1），表明其诱导的转录特征与猴痘相关基因表达特征呈反向关联。
3.4.5 分子动力学（MD）模拟
对三个选定的蛋白-配体复合物进行100纳秒MD模拟：ALB-替考韦瑞马特的RMSD为3.09 ?，结合自由能为-38.75 kJ/mol；CDH1-马拉维罗的RMSD为1.78 ?，结合自由能为-45.57 kJ/mol；PPARG-贝克拉布韦的RMSD为2.51 ?，结合自由能为-36.24 kJ/mol。所有三个复合物均表现出良好的结构稳定性和有利的结合相互作用。
四、讨论与结论
讨论部分指出，所鉴定的hKGs在MPOX发病机制中的生物学相关性可通过其在正痘病毒进入、免疫调节和宿主细胞存活中的作用来理解。HSP90AA1作为分子伴侣稳定宿主和病毒蛋白；IGF1调节细胞存活和免疫应答；PTPRC对T细胞激活至关重要；ABL1响应细胞应激；CDH1维持上皮完整性；ALB参与营养运输和解毒。GO/KEGG富集分析表明MAPK/ERK、PI3K-Akt和上游酪氨酸激酶信号的富集与正痘病毒模型中激酶激活作为有效病毒复制需求一致。
研究结论：本研究通过分析三个数据集的转录组谱，鉴定出166个共同宿主差异表达基因（chDEGs），其中六个排名最高的hKGs（ALB、HSP90AA1、CDH1、PTPRC、IGF1和ABL1）被强调为MPOX发病机制的关键贡献者。hKGs集富集分析结合生物学过程、分子功能、细胞组分、KEGG通路和调控因子（TFs、蛋白质和miRNA）揭示了致病机制。此外，hKGs引导的五个排名最高的可重定位候选药物（替考韦瑞马特、贝克拉布韦、马拉维罗、拉替拉韦和布林西多福韦）被鉴定为潜在的MPOX抑制剂，其药代动力学特性通过ADME/T和药效相似性评估得到确认。连接图谱（CMap）分析将马拉维罗和拉替拉韦确定为预测能在A549和HEK293细胞系背景下逆转MPOX相关转录特征的候选药物分子，从而支持将其优先纳入进一步的实验评估。分子动力学模拟确认了药物-hKG复合物的稳定性，增强了其治疗应用潜力。然而，由于缺乏湿实验室设施，所鉴定的hKGs尚未通过实验方法验证。实验验证对于确认计算结果并确保其生物学相关性至关重要。因此，这些计算机模拟发现可为后续实验验证奠定基础，并为应对MPOX疫情提供有前景的策略。
