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重磅!曹雪涛团队首次鉴定出病毒DNA引起免疫反应的信号通路

作者:发布时间:2019-07-22 10:10

2019年7月18日,中国工程院院士、南开大学校长曹雪涛团队在Science 在线发表题为“Nuclear hnRNPA2B1 initiates and amplifies the innate immune response to DNA viruses”的研究论文,该研究报道异质核核糖核蛋白A2B1(hnRNPA2B1)识别致病性DNA并扩增IFN-α/β的产生。


重磅!曹雪涛团队首次鉴定出病毒DNA引起免疫反应的信号通路


在DNA病毒感染后,核定位的hnRNPA2B1感知病毒DNA,同源二聚化,然后通过精氨酸脱甲基酶JMJD6在Arg226处去甲基化。这导致hnRNPA2B1易位至细胞质,其中它激活TBK1-IRF3途径,导致IFN-α/β产生。另外,hnRNPA2B1促进NAS-甲基腺苷(m6A)修饰和CGAS,IFI16和STING mRNA的核质运输。这反过来又放大了由这些因子介导的细胞质TBK1-IRF3的活化。因此,hnRNPA2B1在启动IFN-α/β产生和增强STING依赖性细胞质抗病毒信号传导中起重要作用。


通过模式识别受体(PRR)识别病毒核酸可以触发对病毒的宿主先天免疫应答。这导致由干扰素调节因子(IRF)信号传导介导的由NF-κB信号传导和I型干扰素调节的促炎细胞因子的产生。通常,一旦DNA病毒进入宿主细胞,它们就会在宿主细胞核内弹出并复制它们的基因组DNA。然而,在细胞核内识别病原体的DNA的过程仍然是个谜。


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hnRNPA2B1激活抗病毒防御以抑制DNA病毒复制


迄今为止,只有一种蛋白质γ-干扰素诱导蛋白16(IFI16)被提出用于识别细胞核内的病毒DNA并激活IFN-I的产生和炎症反应。鉴于宿主细胞经常遇到核病原体衍生的DNA,因此该研究试图鉴定细胞核内其他未表征的IFN-1引发剂。


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hnRNPA2B1的二聚化是其核质转运和活化所必需的


已经鉴定出许多能够识别病毒DNA并诱导IFN-α/β产生的蛋白质,如RNA聚合酶III,IFI16,干扰素调节因子(DAI)的DNA依赖性激活剂,LRRFIP1,LSm14A和环状GMP-AMP(cGAMP)合酶(cGAS) )等。然而,只有细胞质cGAS和DNA-PK在功能上被证实为体内DNA传感器。还报道了几种蛋白质参与DNA病毒诱导的炎症反应,包括黑素瘤2(AIM2),IFI16,Rad50和Sox2等。因此,需要更全面地了解针对DNA病毒的先天免疫应答,尤其是关于将病原体来源的DNA的核识别与细胞质信号传导的激活联系起来的途径。


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hnRNPA2B1是cGAS,IFI16和STING有效的I型干扰素诱导所必需的


在该研究中,检查了与单纯疱疹病毒-1(HSV-1)的基因组DNA结合的核蛋白,以及在病毒感染后易位至细胞质。该分析揭示了异质核核糖核蛋白A2B1(hnRNPA2B1)作为限制DNA病毒感染的I型干扰素产生的核启动子。在直接识别核病原体衍生的DNA后,hnRNPA2B1易位至细胞质以启动先天免疫应答。然后,hnRNPA2B1同时促进mRNA的核质转运和细胞质表达,例如CGAS,IFI16和STING mRNA,其扩增抗病毒先天免疫信号。总之,这项研究强烈表明,核DNA传感器如hnRNPA2B1是先天免疫防御的重要贡献者。


研究背景



宿主对病毒的先天免疫反应可以通过模式识别受体(pattern recognition receptors,PRRs)识别病毒核酸而触发。这一系列反应应答会导致受NF-κB信号通路调控的促炎症细胞因子的产生以及受干扰素调节因子(IRF)信号通路调节的干扰素的产生。具体来说,在体细胞中,细胞质DNA感受器cGAS(cyclic GMP-AMP synthase,受体环鸟苷酸-腺苷酸合成酶)会识别外源的双链DNA(如病毒)和细胞自身的双链DNA(如受损的线粒体DNA、微核DNA等),在与DNA结合后,会催化产生第二信使环鸟苷酸-腺苷酸(cyclic GMP-AMP dinucleotide, cGAMP)的产生,产生的环鸟苷酸-腺苷酸会结合和激活干扰素刺激蛋白STING,STING蛋白会招募丝氨酸苏氨酸蛋白激酶(TBK1),从而来激活IRF3,最终上调I型干扰素和其它免疫因子的转录。


通常来说,一旦DNA病毒进入宿主细胞,它们就会向宿主细胞核内注射病毒DNA并利用宿主细胞环境复制自身的基因组DNA。尽管cGAS可以在细胞质中发挥DNA感受器的作用,但是当病原性DNA入核后,cGAS并不会感受病原性DNA激活干扰素(此前戈宝学组报道cGAS能够在细胞核内识别dsDNA,没有激活干扰素,而是影响DNA损伤修复,详见BioArt的报道:Nature丨戈宝学/毛志勇合作组揭示cGAS对DNA修复与肿瘤调控的新作用——专家点评),因此有效识别核内病原性DNA对宿主来说至关重要,然而,细胞核内存在何种识别机制以识别病原体DNA保护宿主自体DNA仍然是个未解之谜,也长期充满争议。


目前,已有研究报道了包括cGAS、RNA聚合酶III、IFI16、MRE11(meiotic recombination 11 homolog A)、DNA-PK(heterotrimeric protein complex)等在内的诸多蛋白都可以识别病毒DNA和诱导IFN-α/β的产生,然而,只有细胞质中的cGAS和DNA-PK通过功能性实验在体内验证了它们作为DNA感受器的功能。此外,亦有包括Rad50、Sox2、IFI16等在内的蛋白质可以参与DNA病毒诱导的炎症应答过程。


然而迄今为止,科学家们只确认了一种蛋白IFI16(gamma-interferon-inducible protein 16),可以识别细胞核内的DNA病毒从而激活IFN-I的产生和炎性小体的应答(IFI16的争议较大,2016年___大学医学院Daniel B. Stetson组在Immunity上发文否认了IFI16的上述重要功能)。关于细胞对病原体来源的DNA的核识别和相应的免疫应答调控研究能够帮助人们更全面的认识针对DNA病毒的先天免疫反应,因此,寻找细胞核内其他还未被发现的IFN-I活性启动蛋白意义重大。



突破“禁区”


免疫,是一种重要生理功能,机体依靠这种功能识别“自己”和“非己”,破坏和排斥入侵的病毒等病原物质,维持自身稳定。


经过多年探索,科学家们在识别外源病原体DNA的分子机制及其抗病毒免疫研究上取得长足进展。


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目前发现的能够识别病毒DNA的天然免疫受体都存在于细胞质中。


例如,2013年,《科学》报道了华人科学家陈志坚团队的重大发现—— 一种被称为cGAS的蛋白能够识别细胞质里的病毒DNA。


不过,绝大多数DNA病毒感染宿主细胞后会进入细胞核内释放病毒基因组DNA并在核内进行复制。


细胞核具有致密有序的结构,一直被视为“免疫禁区”。


细胞核内是否存在天然免疫识别分子、对于进入细胞核内的病原体DNA如何识别,长期致力于免疫学前沿研究的曹雪涛及团队被“免疫禁区”的这两个科学问题深深吸引。


“想去看看DNA病毒感染宿主细胞后细胞核里到底发生了什么。”提及开展这项研究的初衷,曹雪涛坦陈。


“大海捞针”


为了筛选能够识别病毒DNA的细胞核内天然免疫受体,曹雪涛带领博士后王蕾、医学免疫学国家重点实验室讲师温明岳启动了这项“大海捞针”式的研究。


研究人员同时采用了两种方法:一种是利用生物素标记的病毒基因组DNA,从细胞核提取物中沉淀出DNA结合蛋白并进行质谱鉴定;另一种则是通过二维电泳联合质谱检测,寻找出DNA病毒感染后从细胞核转移到细胞质的具有激活天然免疫信号通路潜在作用的蛋白分子。


“这两种方法的目的都是获得目标蛋白分子。”曹雪涛介绍,两种方法分别获得了上百个分子,交叉对比后,筛选出23个候选分子。


随后,他们通过一系列体内外的功能筛选,最终鉴定出1个目标分子,即异质性细胞核核糖蛋白A2B1(hnRNP-A2B1)。这便是科学家们要寻找的能够识别病毒DNA的核内DNA天然免疫识别受体。


“老”蛋白发挥新作用


曹雪涛告诉《中国科学报》,事实上,hnRNPA2B1是一个“老”蛋白,“它的常规功能是和RNA结合”。


接下来,研究人员对这个“老”蛋白的新作用开展了深入研究。


研究人员介绍,hnRNPA2B1在DNA病毒感染后发生二聚化并发生第226位精氨酸(Arg226)位点的去甲基化,之后转位至细胞质中与STING等相互作用形成复合体,激活TBK1-IRF3信号转导途径,从而启动干扰素等基因表达。


同时,研究还发现hnRNPA2B1能够放大和增强细胞质中天然免疫分子信号通路,诱导更多干扰素产生,有效触发天然免疫反应。


“这项研究深化了人们对天然免疫调控的认识,也为抗病毒治疗与炎症防治提供了潜在药物研发新靶标。”曹雪涛表示。


他还透露,该论文原本按《科学》“快讯”类文章投稿,后被编辑部转为分量更重的“长文”类文章接收。


近年来,曹雪涛团队在天然免疫与炎症疾病、肿瘤免疫治疗和免疫逃逸两个方向开展系统性研究。


最近6年来,该团队已在顶级期刊《科学》《自然》《细胞》共发表11篇论文。


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