張佳星

《科學》雜志近日以研究長文的形式在線發(fā)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(yīng)》，報道了該課題組發(fā)現(xiàn)異質(zhì)性細胞核核糖蛋白A2B1能夠在細胞核內(nèi)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(nèi)恐怕有著最繁忙、復(fù)雜、自行運轉(zhuǎn)的中樞系統(tǒng)，千萬個部門有條不紊，但在這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(jù)證明這里會如何啟動抵抗效應(yīng)?！霸诳茖W探索的‘無人區(qū)’有所斬獲，必須要緊盯關(guān)鍵科學問題，試人所未試，漁人所未漁?！辈苎f，“細胞識別‘自我’與‘非我’的機制是天然免疫領(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(shù)。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(nèi)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(fā)生‘自噬’?！闭撐墓餐谝蛔髡?、醫(yī)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(nèi)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(zhàn)。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(zhì)外殼將DNA散落到細胞質(zhì)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(zhì)，直擊細胞核，并在核膜處“脫”去蛋白外殼，將自己的DNA注入宿主細胞的細胞核中，利用細胞核的機制進行自我復(fù)制，細胞核看似成了病毒DNA復(fù)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(yīng)的機制‘鉗制’它?！睖孛髟澜忉?，這意味著細胞核內(nèi)必然存在針對病毒DNA的識別機制。曹雪濤在指導(dǎo)學生做科研時經(jīng)常提到“創(chuàng)新性科學研究，需要‘術(shù)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(zhàn)固有觀念的勇氣，瞄準原始創(chuàng)新。

鑒定出識別病毒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與生物素標記結(jié)合是“一環(huán)”、生物素與親和素等結(jié)合沉淀下來是“一環(huán)”，而創(chuàng)新性地將3個技術(shù)方法聯(lián)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(shù)方法，正是論文第一作者、南開大學副教授王蕾的“術(shù)”?！搬灐钡鞍自诩毎缴鼨C制的研究中比較常見。在細胞質(zhì)中，存在大量有功能的蛋白質(zhì)，科學家發(fā)明了CHIP（染色體免疫沉淀）等方法沉淀出特定的蛋白，進一步分析研究它們怎么與DNA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”?！爱敃r，我們不知道病毒DNA有沒有結(jié)合特異性序列?！蓖趵僬f，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(wù)企業(yè)的回復(fù)是：做不了。只能自己動手進行標記技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，這對生命基礎(chǔ)科學領(lǐng)域的學者來說并不擅長?！安檎曳椒ê驮噭┖馁M了一些時間?！蓖趵僬f得輕松，但技術(shù)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(jié)合的核內(nèi)蛋白，為了進一步縮小尋找范圍，團隊引入二維電泳技術(shù)?；趯μ烊幻庖呓?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，必然會跑出細胞核，到細胞質(zhì)中激活信號網(wǎng)絡(luò)以傳遞信號。為此，團隊比較了被感染與未感染的細胞，哪些蛋白會有此類軌跡，進一步鎖定細胞核內(nèi)能夠在病毒感染之后移位到細胞質(zhì)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(jīng)年領(lǐng)跑領(lǐng)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(guān)鍵的核內(nèi)DNA天然免疫識別受體，并明確了其能夠激活TBK1—IRF3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)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?！睖孛髟勒f，動物實驗更進一步證實了整個病毒阻擊的“路線圖”。

關(guān)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(xiàn)在細胞質(zhì)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(tài)下hnRNPA2B1負責將細胞核中產(chǎn)生的信使RNA轉(zhuǎn)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(chǎn)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(qū)分自己傳遞的信號呢？它攜帶信息的轉(zhuǎn)變通過自身結(jié)構(gòu)的“變身”傳達出來。王蕾解釋道：“我們發(fā)現(xiàn)hnRNPA2B1在與病毒DNA結(jié)合之后會發(fā)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(yīng)的是二聚體蛋白的去甲基化?！迸鍣C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(gòu)象變化的推測時，需要在合情合理“還原”功能的基礎(chǔ)上，有豐富的想象力。為了達到某種功能，蛋白可能串聯(lián)、并聯(lián)、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(zhuǎn)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(nèi)移位到細胞質(zhì)激活天然免疫信號通路、啟動抗病毒效應(yīng)?！辈苎f。變身“武裝”起來的蛋白除了親自啟動免疫機制之外，還被發(fā)現(xiàn)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(guī)?！皡⒓討?zhàn)斗”，進一步調(diào)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(jié)合病毒DNA又結(jié)合哺乳動物DNA，那么它是否能夠被自身DNA錯誤激活引發(fā)“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?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，裸露的人核小體DNA確實能夠激活免疫反應(yīng)，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?！蓖趵僬f。