病毒打入細(xì)胞內(nèi)部就能繁衍嗎

張佳星

《科學(xué)》雜志近日以研究長(zhǎng)文的形式在線發(fā)表了中國(guó)工程院院士、南開(kāi)大學(xué)校長(zhǎng)曹雪濤教授課題組的論文《核蛋白hnRNPA2B1啟動(dòng)并放大抗DNA病毒天然免疫反應(yīng)》，報(bào)道了該課題組發(fā)現(xiàn)異質(zhì)性細(xì)胞核核糖蛋白A2B1能夠在細(xì)胞核內(nèi)特異性地識(shí)別病毒DNA，開(kāi)啟天然免疫機(jī)制，形成對(duì)病毒的“強(qiáng)反擊”。如同《哈利·波特》中的魔法部，細(xì)胞核內(nèi)恐怕有著最繁忙、復(fù)雜、自行運(yùn)轉(zhuǎn)的中樞系統(tǒng)，千萬(wàn)個(gè)部門有條不紊，但在這之前人類對(duì)于在那里存在的天然免疫防線并不十分清楚。當(dāng)“黑魔法”（如病毒DNA）攻破強(qiáng)大外圍防線侵入“魔法部”時(shí)，沒(méi)有證據(jù)證明這里會(huì)如何啟動(dòng)抵抗效應(yīng)。“在科學(xué)探索的‘無(wú)人區(qū)’有所斬獲，必須要緊盯關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，試人所未試，漁人所未漁。”曹雪濤說(shuō)，“細(xì)胞識(shí)別‘自我’與‘非我’的機(jī)制是天然免疫領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)，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?！?/p>

大多病毒DNA會(huì)直擊細(xì)胞核

在研究的最初階段，細(xì)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(gè)未知數(shù)。但對(duì)生命機(jī)制的思辨讓團(tuán)隊(duì)在“未知”的探索中篤行?！叭绻?xì)胞核內(nèi)存在識(shí)別病毒DNA的‘嗅探器’，那么為什么不會(huì)‘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(jìn)而發(fā)生‘自噬’。”論文共同第一作者、醫(yī)學(xué)免疫學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室講師溫明岳說(shuō)，但病毒的攻擊方式又暗示了細(xì)胞核內(nèi)必然存在天然免疫防線的“延伸”。這是一場(chǎng)“敵進(jìn)我打”的防御戰(zhàn)。DNA病毒侵襲細(xì)胞，會(huì)在細(xì)胞膜處最先遇到阻擊，部分病毒蛋白質(zhì)外殼將DNA散落到細(xì)胞質(zhì)中，激活天然免疫機(jī)制。但大部分病毒DNA會(huì)逃過(guò)細(xì)胞膜、潛過(guò)細(xì)胞質(zhì)，直擊細(xì)胞核，并在核膜處“脫”去蛋白外殼，將自己的DNA注入宿主細(xì)胞的細(xì)胞核中，利用細(xì)胞核的機(jī)制進(jìn)行自我復(fù)制，細(xì)胞核看似成了病毒DNA復(fù)制的“溫床”。“生命進(jìn)化遵循‘相生相克’的原則，病毒的侵染機(jī)制意味著細(xì)胞核是它的重要‘窩點(diǎn)’，那么細(xì)胞必然會(huì)衍生出相應(yīng)的機(jī)制‘鉗制’它。”溫明岳解釋，這意味著細(xì)胞核內(nèi)必然存在針對(duì)病毒DNA的識(shí)別機(jī)制。曹雪濤在指導(dǎo)學(xué)生做科研時(shí)經(jīng)常提到“創(chuàng)新性科學(xué)研究，需要‘術(shù)與道’的合二為一”，從生命起源開(kāi)始的問(wèn)道式思辨往往會(huì)給予團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)固有觀念的勇氣，瞄準(zhǔn)原始創(chuàng)新。

鑒定出識(shí)別病毒DNA的核蛋白

邁向原始創(chuàng)新的技術(shù)體系往往不是現(xiàn)成的，特異性從細(xì)胞核中調(diào)取能結(jié)合病毒DNA的蛋白質(zhì)，需要滿足“三連環(huán)”的技術(shù)體系。細(xì)胞核內(nèi)蛋白與病毒DNA結(jié)合是“一環(huán)”、病毒DNA與生物素標(biāo)記結(jié)合是“一環(huán)”、生物素與親和素等結(jié)合沉淀下來(lái)是“一環(huán)”，而創(chuàng)新性地將3個(gè)技術(shù)方法聯(lián)合在一起，通過(guò)生物素標(biāo)記的病毒基因組DNA“釣”出目標(biāo)蛋白的技術(shù)方法，正是論文第一作者、南開(kāi)大學(xué)副教授王蕾的“術(shù)”?！搬灐钡鞍自诩?xì)胞水平生命機(jī)制的研究中比較常見(jiàn)。在細(xì)胞質(zhì)中，存在大量有功能的蛋白質(zhì)，科學(xué)家發(fā)明了CHIP（染色體免疫沉淀）等方法沉淀出特定的蛋白，進(jìn)一步分析研究它們?cè)趺磁cDNA發(fā)生相互作用。這些方法均需要DNA的特異性序列作為“線索”。“當(dāng)時(shí)，我們不知道病毒DNA有沒(méi)有結(jié)合特異性序列。”王蕾說(shuō)，因此需要使用全病毒基因組DNA。生物素標(biāo)記屬于化學(xué)方法，過(guò)去只會(huì)連接固定已知的DNA序列。但要標(biāo)記病毒基因組，王蕾收到生物服務(wù)企業(yè)的回復(fù)是：做不了。只能自己動(dòng)手進(jìn)行標(biāo)記技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，這對(duì)生命基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者來(lái)說(shuō)并不擅長(zhǎng)?！安檎曳椒ê驮噭┖馁M(fèi)了一些時(shí)間?！蓖趵僬f(shuō)得輕松，但技術(shù)突破的背后是學(xué)科間打破“藩籬”，做到真正的交融。新的方法幫助團(tuán)隊(duì)獲得了上百種與病毒DNA結(jié)合的核內(nèi)蛋白，為了進(jìn)一步縮小尋找范圍，團(tuán)隊(duì)引入二維電泳技術(shù)?；趯?duì)天然免疫經(jīng)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(huì)跑出細(xì)胞核，到細(xì)胞質(zhì)中激活信號(hào)網(wǎng)絡(luò)以傳遞信號(hào)。為此，團(tuán)隊(duì)比較了被感染與未感染的細(xì)胞，哪些蛋白會(huì)有此類軌跡，進(jìn)一步鎖定細(xì)胞核內(nèi)能夠在病毒感染之后移位到細(xì)胞質(zhì)中的蛋白分子，將目標(biāo)蛋白范圍縮小到23個(gè)候選分子。實(shí)驗(yàn)室對(duì)天然免疫信號(hào)通路經(jīng)年領(lǐng)跑領(lǐng)域科研的積累，使得團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列細(xì)胞功能與動(dòng)物試驗(yàn)，最終鑒定出hnRNPA2B1是一個(gè)關(guān)鍵的核內(nèi)DNA天然免疫識(shí)別受體，并明確了其能夠激活TBK1—IRF3信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，從而啟動(dòng)干擾素等表達(dá)?！澳Ｊ絼?dòng)物小鼠的敲除試驗(yàn)，證明在活體中這一機(jī)制是真實(shí)存在的?！睖孛髟勒f(shuō)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)更進(jìn)一步證實(shí)了整個(gè)病毒阻擊的“路線圖”。

關(guān)鍵蛋白抵抗病毒感染的機(jī)制揭曉

“hnRNPA2B1主要定位于細(xì)胞核中，但在被病毒感染后2小時(shí)才會(huì)出現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)中。”溫明岳說(shuō)。這2小時(shí)，它做什么去了？此前的研究表明，正常狀態(tài)下hnRNPA2B1負(fù)責(zé)將細(xì)胞核中產(chǎn)生的信使RNA轉(zhuǎn)出核，擔(dān)當(dāng)“小文書(shū)”的角色。而遭遇病毒后，它將成為“信號(hào)兵”，把入侵信號(hào)傳出去，啟動(dòng)Ⅰ型干擾素的產(chǎn)生，招募免疫細(xì)胞。都是走出細(xì)胞核，同一個(gè)蛋白如何讓別人區(qū)分自己傳遞的信號(hào)呢？它攜帶信息的轉(zhuǎn)變通過(guò)自身結(jié)構(gòu)的“變身”傳達(dá)出來(lái)。王蕾解釋道：“我們發(fā)現(xiàn)hnRNPA2B1在與病毒DNA結(jié)合之后會(huì)發(fā)生二聚化，而這一變化‘敦促’它走出細(xì)胞核，我們通過(guò)共免疫沉淀的方法對(duì)這一變化進(jìn)行了驗(yàn)證。而敦促它走出來(lái)啟動(dòng)接下來(lái)的免疫反應(yīng)的是二聚體蛋白的去甲基化?！迸鍣C(jī)制，相當(dāng)于給蛋白的行動(dòng)臨摹一個(gè)實(shí)景動(dòng)畫(huà)，尤其在對(duì)蛋白構(gòu)象變化的推測(cè)時(shí)，需要在合情合理“還原”功能的基礎(chǔ)上，有豐富的想象力。為了達(dá)到某種功能，蛋白可能串聯(lián)、并聯(lián)、疊加、扔掉一個(gè)甲基……最終達(dá)成功能上的“大變身”?！坝谩癖瘉?lái)形容hnRNPA2B1再合適不過(guò)，它在平時(shí)是‘民’，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)mRNA，遇到病毒攻擊時(shí)，就變成‘兵’，通過(guò)蛋白‘聚變’、甲基化等變化從細(xì)胞核內(nèi)移位到細(xì)胞質(zhì)激活天然免疫信號(hào)通路、啟動(dòng)抗病毒效應(yīng)。”曹雪濤說(shuō)。變身“武裝”起來(lái)的蛋白除了親自啟動(dòng)免疫機(jī)制之外，還被發(fā)現(xiàn)有極強(qiáng)的“號(hào)召力”。它能夠促進(jìn)cGAS、IFI16、STING等DNA識(shí)別受體的mRNA大量出核，裝配成受體蛋白后擴(kuò)大規(guī)?！皡⒓討?zhàn)斗”，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)整個(gè)細(xì)胞抵抗病毒感染。最后，團(tuán)隊(duì)對(duì)這一機(jī)制存在的安全性進(jìn)行了驗(yàn)證。既然hnRNPA2B1既結(jié)合病毒DNA又結(jié)合哺乳動(dòng)物DNA，那么它是否能夠被自身DNA錯(cuò)誤激活引發(fā)“自我攻擊”呢？實(shí)驗(yàn)證明，“安全閥”不在蛋白本身，而在于細(xì)胞核中染色體的蛋白上?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，裸露的人核小體DNA確實(shí)能夠激活免疫反應(yīng)，并且能檢測(cè)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?！蓖趵僬f(shuō)。