打入细胞“内部”病毒就能安心繁衍? 细胞核不答应

来源: 北京安必奇生物科技有限公司   2019-8-5   访问量:1598评论(0)

来源:科技日报 本报记者 张佳星

  《科学》杂志近日以研究长文的形式在线发表了中国工程院院士、南开大学校长曹雪涛教授课题组的论文《核蛋白hnRNPA2B1启动并放大抗DNA病毒天然免疫反应》,报道了该课题组发现异质性细胞核核糖蛋白A2B1能够在细胞核内特异性地识别病毒DNA,开启天然免疫机制,形成对病毒的“强反击”。

  如同《哈利·波特》中的魔法部,细胞核内恐怕有着最繁忙、复杂、自行运转的中枢系统,千万个部门有条不紊,但在之前人类对于在那里存在的天然免疫防线并不十分清楚。当“黑魔法”(如病毒DNA)攻破强大外围防线侵入“魔法部”时,没有证据证明这里会如何启动抵抗效应。

  “在科学探索的‘无人区’有所斩获,必须要紧盯关键科学问题,试人所未试,渔人所未渔。”曹雪涛说,“细胞识别‘自我’与‘非我’的机制是天然免疫领域研究的基础,因此要从病原性DNA入手去探明‘自我’与‘非我’的sensor(感受器),寻找天然免疫研究的突破口。”

  大多病毒DNA会逃过细胞膜直击细胞核

  在研究的最初阶段,细胞核中是否真的存在参与“狙击”病毒DNA的蛋白感受器是一个未知数。但对生命机制的思辨让团队在“未知”的探索中笃行。

  “如果细胞核内存在识别病毒DNA的‘嗅探器’,那么为什么不会‘嗅探’到自己的DNA呢?毕竟DNA序列之间可能存在一定的同源性,进而发生‘自噬’。”论文共同第一作者、医学免疫学国家重点实验室讲师温明岳说,但病毒的攻击方式又暗示了细胞核内必然存在天然免疫防线的“延伸”。

  这是一场“敌进我打”的防御战。DNA病毒侵袭细胞,会在细胞膜处最先遇到阻击,部分病毒蛋白质外壳将DNA散落到细胞质中,激活天然免疫机制。但大部分病毒DNA会逃过细胞膜、潜过细胞质,直击细胞核,并在核膜处“脱”去蛋白外壳,将自己的DNA注入到宿主细胞的细胞核中,利用细胞核的机制进行自我复制,细胞核看似成了病毒DNA复制的“温床”。

  “生命进化遵循‘相生相克’的原则,病毒的侵染机制意味着细胞核是它的重要‘窝点’,那么细胞必然会衍生出相应的机制‘钳制’它。”温明岳解释,这意味着细胞核内必然存在针对病毒DNA的识别机制。

  曹雪涛在指导学生做科研时经常提到“创新性科学研究,需要‘术与道’的合二为一”,从生命起源开始的问道式思辨往往会给予团队挑战固有观念的勇气,瞄准原始创新。

  鉴定出识别病毒DNA的关键核蛋白

  迈向原始创新的技术体系往往不是现成的,特异性地从细胞核中调取能结合病毒DNA的蛋白质,需要满足“三连环”的技术体系。

  细胞核内蛋白与病毒DNA结合是“一环”、病毒DNA与生物素标记结合是“一环”、生物素与亲和素等结合沉淀下来是“一环”,而创新性地将三个技术方法联合在一起,通过生物素标记的病毒基因组DNA“钓”出目标蛋白的技术方法,正是论文第一作者、南开大学副教授王蕾的“术”。

  “钓”蛋白在细胞水平生命机制的研究中比较常见。在细胞质中,存在大量有功能的蛋白质,科学家发明了CHIP(染色体免疫沉淀)等方法沉淀出特定的蛋白,进一步分析研究它们怎么与DNA发生相互作用。这些方法均需要DNA的特异性序列作为“线索”。

  “当时,我们不知道病毒DNA有没有结合特异性序列。”王蕾说,因此需要使用全病毒基因组DNA。

  生物素标记属于化学方法,过去只会连接固定已知的DNA序列。但要标记病毒基因组,王蕾收到生物服务企业的回复是:做不了。

  只能自己动手进行标记技术的创新研发,这对生命基础科学领域的学者来说并不擅长。“查找方法和试剂耗费了一些时间。”王蕾说得轻松,但技术突破的背后是学科间打破“藩篱”,做到真正的交融。

  新的方法帮助团队获得了上百种与病毒DNA结合的核内蛋白,为了进一步缩小寻找范围,团队引入二维电泳技术。基于对天然免疫经年研究的积累,曹雪涛判断,与病毒DNA相互作用的蛋白在“嗅探”到病毒存在后,必然会跑出细胞核,到细胞质中激活信号网络以传递信号。

  为此,团队比较了被感染与未感染细胞,哪些蛋白会有此类轨迹,进一步锁定细胞核内能够在病毒感染之后移位到细胞质中的蛋白分子,将目标蛋白范围缩小到23个候选分子。

  实验室对天然免疫信号通路经年领跑领域科研的积累,使得团队通过一系列细胞功能与动物试验,最终鉴定出hnRNPA2B1是一个关键的核内DNA天然免疫识别受体,并明确了其能够激活TBK1-IRF3信号转导途径,从而启动干扰素等表达。

  “模式动物小鼠的敲除试验,证明在活体中这一机制是真实存在的。”温明岳说,动物实验更进一步证实了整个病毒阻击的“路线图”。

  关键蛋白抵抗病毒感染的机制揭晓

  “hnRNPA2B1主要定位于细胞核中,但在被病毒感染后2小时才会出现在细胞质中。”温明岳说。

  这2小时,它做什么去了?此前的研究表明,正常状态下hnRNPA2B1负责将细胞核中产生的信使RNA转出核,担当“小文书”的角色。而遭遇病毒后,它将成为“信号兵”,把入侵信号传出去,启动Ⅰ型干扰素的产生,招募免疫细胞。

  都是走出细胞核,同一个蛋白如何让别人区分自己传递的信号呢?它携带信息的转变通过自身结构的“变身”传达出来。王蕾解释道:“我们发现hnRNPA2B1在与病毒DNA结合之后会发生二聚化,而这一变化‘敦促’它走出细胞核,我们通过共免疫沉淀的方法对这一变化进行了验证。而敦促它走出来启动接下来的免疫反应的是二聚体蛋白的去甲基化。”

  弄清机制,相当于给蛋白的行动临摹一个实景动画,尤其在对蛋白构象变化的推测时,需要在合情合理“还原”功能的基础上,有丰富的想象力。为了达到某种功能,蛋白可能串连、并联、叠加、扔掉一个甲基……最终达成功能上的“大变身”。

  “用‘民兵’来形容hnRNPA2B1再合适不过,它在平时是‘民’,负责转运mRNA,遇到病毒攻击时,就变成‘兵’,通过蛋白‘聚变’、甲基化等变化从细胞核内移位到细胞质激活天然免疫信号通路、启动抗病毒效应。”曹雪涛说。

  变身“武装”起来的蛋白除了亲自启动免疫机制之外,还被发现有极强的“号召力”。它能够促进cGAS、IFI16、STING等DNA识别受体的mRNA大量出核,装配成受体蛋白后扩大规模“参加战斗”,进一步调动整个细胞抵抗病毒感染。

  最后,团队对这一机制存在的安全性进行了验证。既然hnRNPA2B1既结合病毒DNA又结合哺乳动物DNA,那么它是否能够被自身DNA错误激活引发“自我攻击”呢?实验证明,“安全阀”不在蛋白本身,而在于细胞核中染色体的蛋白上。“我们发现,裸露的人核小体DNA确实能够激活免疫反应,并且能检测到hnRNPA2B1二聚体,然而天然核小体却不能。因此,染色体蛋白能够阻止hnRNPA2B1被自身基因组DNA所活化。”王蕾说。



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