《科學》雜志近日以研究長文的形式在線發表了中國工程院院士、南開大學校長曹雪濤教授課題組的論文《核蛋白hnRNPA2B1啟動并放大抗DNA病毒天然免疫反應》,報道了該課題組發現異質性細胞核核糖蛋白A2B1能夠在細胞核內特異性地識別病毒DNA,開啟天然免疫機制,形成對病毒的“強反擊”。
如同《哈利·波特》中的魔法部,細胞核內恐怕有著最繁忙、復雜、自行運轉的中樞系統,千萬個部門有條不紊,但在之前人類對于在那里存在的天然免疫防線并不十分清楚。當“黑魔法”(如病毒DNA)攻破強大外圍防線侵入“魔法部”時,沒有證據證明這里會如何啟動抵抗效應。
“在科學探索的‘無人區’有所斬獲,必須要緊盯關鍵科學問題,試人所未試,漁人所未漁。”曹雪濤說,“細胞識別‘自我’與‘非我’的機制是天然免疫領域研究的基礎,因此要從病原性DNA入手去探明‘自我’與‘非我’的sensor(感受器),尋找天然免疫研究的突破口。”
大多病毒DNA會逃過細胞膜直擊細胞核
在研究的最初階段,細胞核中是否真的存在參與“狙擊”病毒DNA的蛋白感受器是一個未知數。但對生命機制的思辨讓團隊在“未知”的探索中篤行。
“如果細胞核內存在識別病毒DNA的‘嗅探器’,那么為什么不會‘嗅探’到自己的DNA呢?畢竟DNA序列之間可能存在一定的同源性,進而發生‘自噬’。”論文共同第一作者、醫學免疫學國家重點實驗室講師溫明岳說,但病毒的攻擊方式又暗示了細胞核內必然存在天然免疫防線的“延伸”。
這是一場“敵進我打”的防御戰。DNA病毒侵襲細胞,會在細胞膜處最先遇到阻擊,部分病毒蛋白質外殼將DNA散落到細胞質中,激活天然免疫機制。但大部分病毒DNA會逃過細胞膜、潛過細胞質,直擊細胞核,并在核膜處“脫”去蛋白外殼,將自己的DNA注入到宿主細胞的細胞核中,利用細胞核的機制進行自我復制,細胞核看似成了病毒DNA復制的“溫床”。
“生命進化遵循‘相生相克’的原則,病毒的侵染機制意味著細胞核是它的重要‘窩點’,那么細胞必然會衍生出相應的機制‘鉗制’它。”溫明岳解釋,這意味著細胞核內必然存在針對病毒DNA的識別機制。
曹雪濤在指導學生做科研時經常提到“創新性科學研究,需要‘術與道’的合二為一”,從生命起源開始的問道式思辨往往會給予團隊挑戰固有觀念的勇氣,瞄準原始創新。
鑒定出識別病毒DNA的關鍵核蛋白
邁向原始創新的技術體系往往不是現成的,特異性地從細胞核中調取能結合病毒DNA的蛋白質,需要滿足“三連環”的技術體系。
細胞核內蛋白與病毒DNA結合是“一環”、病毒DNA與生物素標記結合是“一環”、生物素與親和素等結合沉淀下來是“一環”,而創新性地將三個技術方法聯合在一起,通過生物素標記的病毒基因組DNA“釣”出目標蛋白的技術方法,正是論文第一作者、南開大學副教授王蕾的“術”。
“釣”蛋白在細胞水平生命機制的研究中比較常見。在細胞質中,存在大量有功能的蛋白質,科學家發明了CHIP(染色體免疫沉淀)等方法沉淀出特定的蛋白,進一步分析研究它們怎么與DNA發生相互作用。這些方法均需要DNA的特異性序列作為“線索”。
“當時,我們不知道病毒DNA有沒有結合特異性序列。”王蕾說,因此需要使用全病毒基因組DNA。
生物素標記屬于化學方法,過去只會連接固定已知的DNA序列。但要標記病毒基因組,王蕾收到生物服務企業的回復是:做不了。
只能自己動手進行標記技術的創新研發,這對生命基礎科學領域的學者來說并不擅長。“查找方法和試劑耗費了一些時間。”王蕾說得輕松,但技術突破的背后是學科間打破“藩籬”,做到真正的交融。
新的方法幫助團隊獲得了上百種與病毒DNA結合的核內蛋白,為了進一步縮小尋找范圍,團隊引入二維電泳技術。基于對天然免疫經年研究的積累,曹雪濤判斷,與病毒DNA相互作用的蛋白在“嗅探”到病毒存在后,必然會跑出細胞核,到細胞質中激活信號網絡以傳遞信號。
為此,團隊比較了被感染與未感染細胞,哪些蛋白會有此類軌跡,進一步鎖定細胞核內能夠在病毒感染之后移位到細胞質中的蛋白分子,將目標蛋白范圍縮小到23個候選分子。
實驗室對天然免疫信號通路經年領跑領域科研的積累,使得團隊通過一系列細胞功能與動物試驗,最終鑒定出hnRNPA2B1是一個關鍵的核內DNA天然免疫識別受體,并明確了其能夠激活TBK1-IRF3信號轉導途徑,從而啟動干擾素等表達。
“模式動物小鼠的敲除試驗,證明在活體中這一機制是真實存在的。”溫明岳說,動物實驗更進一步證實了整個病毒阻擊的“路線圖”。
關鍵蛋白抵抗病毒感染的機制揭曉
“hnRNPA2B1主要定位于細胞核中,但在被病毒感染后2小時才會出現在細胞質中。”溫明岳說。
這2小時,它做什么去了?此前的研究表明,正常狀態下hnRNPA2B1負責將細胞核中產生的信使RNA轉出核,擔當“小文書”的角色。而遭遇病毒后,它將成為“信號兵”,把入侵信號傳出去,啟動Ⅰ型干擾素的產生,招募免疫細胞。
都是走出細胞核,同一個蛋白如何讓別人區分自己傳遞的信號呢?它攜帶信息的轉變通過自身結構的“變身”傳達出來。王蕾解釋道:“我們發現hnRNPA2B1在與病毒DNA結合之后會發生二聚化,而這一變化‘敦促’它走出細胞核,我們通過共免疫沉淀的方法對這一變化進行了驗證。而敦促它走出來啟動接下來的免疫反應的是二聚體蛋白的去甲基化。”
弄清機制,相當于給蛋白的行動臨摹一個實景動畫,尤其在對蛋白構象變化的推測時,需要在合情合理“還原”功能的基礎上,有豐富的想象力。為了達到某種功能,蛋白可能串連、并聯、疊加、扔掉一個甲基……最終達成功能上的“大變身”。
“用‘民兵’來形容hnRNPA2B1再合適不過,它在平時是‘民’,負責轉運mRNA,遇到病毒攻擊時,就變成‘兵’,通過蛋白‘聚變’、甲基化等變化從細胞核內移位到細胞質激活天然免疫信號通路、啟動抗病毒效應。”曹雪濤說。
變身“武裝”起來的蛋白除了親自啟動免疫機制之外,還被發現有極強的“號召力”。它能夠促進cGAS、IFI16、STING等DNA識別受體的mRNA大量出核,裝配成受體蛋白后擴大規模“參加戰斗”,進一步調動整個細胞抵抗病毒感染。
最后,團隊對這一機制存在的安全性進行了驗證。既然hnRNPA2B1既結合病毒DNA又結合哺乳動物DNA,那么它是否能夠被自身DNA錯誤激活引發“自我攻擊”呢?實驗證明,“安全閥”不在蛋白本身,而在于細胞核中染色體的蛋白上。
“我們發現,裸露的人核小體DNA確實能夠激活免疫反應,并且能檢測到hnRNPA2B1二聚體,然而天然核小體卻不能。因此,染色體蛋白能夠阻止hnRNPA2B1被自身基因組DNA所活化。”王蕾說。
