打入细胞cell “内部” 病毒virus就能安心繁衍? 细胞cell核不答应

文章来源: 科技日报 / 作者: 2019-07-30
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《科学》杂志近日以科学实验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professor课题组的论文《核蛋白 hnRNPA2B1 启动并放大抗 DNA 病毒virus天然免疫反应》,报道了该课题组发现异质性细胞cell核核糖蛋白 A2B1 能够在细胞cell核内特异性地识别病毒virus DNA,开启天然免疫机制,形成对病毒virus的 “强反击”。

如同《哈利 · 波特》中的魔法部,细胞cell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virus 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problem,试人所未试,渔人所未渔。” 曹雪涛说,“细胞cell识别‘自我’与‘非我’的机制是天然免疫领域科学实验的基础,因此要从病原性 DNA 入手去探明‘自我’与‘非我’的 sensor(感受器),寻找天然免疫科学实验的突破口。”

大多病毒virus DNA 会逃过细胞cell膜直击细胞cell核

在科学实验的最初阶段,细胞cell核中是否真的存在参与 “狙击” 病毒virus 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cell核内存在识别病毒virus 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virus的攻击方式又暗示了细胞cell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virus侵袭细胞cell,会在细胞cell膜处最先遇到阻击,部分病毒virus蛋白质外壳将 DNA 散落到细胞cell质中,激活天然免疫机制。但大部分病毒virus DNA 会逃过细胞cell膜、潜过细胞cell质,直击细胞cell核,并在核膜处 “脱” 去蛋白外壳,将自己的 DNA 注入到宿主细胞cell的细胞cell核中,利用细胞cell核的机制进行自我复制,细胞cell核看似成了病毒virus DNA 复制的“温床”。

“生命进化遵循‘相生相克’的原则,病毒virus的侵染机制意味着细胞cell核是它的重要‘窝点’,那么细胞cell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cell核内必然存在针对病毒virus DNA 的识别机制。

曹雪涛在指导学生做科研时经常提到 “创新性科学科学实验,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virus 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cell核中调取能结合病毒virus DNA 的蛋白质,需要满足 “三连环” 的技术体系。

细胞cell核内蛋白与病毒virus DNA 结合是 “一环”、病毒virus 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virus基因gene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professor王蕾的“术”。

“钓” 蛋白在细胞cell水平生命机制的科学实验中比较常见。在细胞cell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,进一步分析科学实验它们怎么与 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virus DNA 有没有结合特异性序列。” 王蕾说,因此需要使用全病毒virus基因gene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virus基因gene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virus 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科学实验的积累,曹雪涛判断,与病毒virus DNA 相互作用的蛋白在 “嗅探” 到病毒virus存在后,必然会跑出细胞cell核,到细胞cell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cell,哪些蛋白会有此类轨迹,进一步锁定细胞cell核内能够在病毒virus感染之后移位到细胞cell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cell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virus阻击的 “路线图”。

关键蛋白抵抗病毒virus感染的机制揭晓

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

这 2 小时,它做什么去了?此前的科学实验表明,正常状态下 hnRNPA2B1 负责将细胞cell核中产生的信使 RNA 转出核,担当 “小文书” 的角色。而遭遇病毒virus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cell。

都是走出细胞cell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virus DNA 结合之后会发生二聚化,而这一变化‘敦促’它走出细胞cell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virus攻击时,就变成‘兵’,通过蛋白‘聚变’、甲基化等变化从细胞cell核内移位到细胞cell质激活天然免疫信号通路、启动抗病毒virus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cell抵抗病毒virus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virus 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cell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gene组 DNA 所活化。”王蕾说。

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