揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。我校医学院病毒学教授邢峥研究室二月份在国际病毒学著名期刊《Journal of
Virology》发表论文《Evasion of Antiviral Immunity through Sequestering
of TBK1/IKKe/IRF3 into Viral Inclusion Bodies》,
阐述病毒逃逸宿主免疫反应的一种新机制。即感染过程中,病毒可以通过在细胞中形成的包涵体,有效地移位和“雪藏”抗病毒反应中起重要调控作用的激酶和转录因子,导致抗病毒反应减弱、病毒增殖增强,从而使病毒成功逃逸宿主细胞的抗病毒免疫。

揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。近日,国际著名免疫学术期刊揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。PLOS Pathogens揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。The Journal of
Immunology
分别在线发表了北京大学生命科学学院蒋争凡研究组在抗病毒天然免疫领域的最新研究成果——“MAVS
activates TBK1 and IKKε through TRAFs in NEMO dependent and independent
manner”及“NEMO–IKKβ Are Essential for IRF3 and NF-κB Activation in the
cGAS–STING Pathway”。

近日,中国科学院武汉病毒研究所研究员王华林学科组在新发白蛉病毒拮抗宿主天然免疫的研究中取得新进展,研究成果揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。Heartland
virus NSs protein disrupts host defenses by blocking the TBK1
kinase-IRF3 transcription factor interaction and signaling required for
interferon induction
揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。发表在揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中。Journal of Biological Chemistry上。

这篇论文因为发现新型“病毒免疫逃逸机制”及其重要性,被《Journal of
Virology》编辑部选为“亮点推荐Spotlight
Feature”论文,医学院博士研究生吴晓东同学为第一作者。同时,PLoS
Pathogen副总编辑、佛罗里达大学Grant McFadden 教授,
也因为这一发现在病毒学领域的“特殊重要性”,推荐这篇论文到学界知名的“Faculty
of 1000 Prime Report”。

天然免疫是宿主抵抗病原入侵的第一道防线。在抗病毒天然免疫反应中,机体通过RLR-MAVS和cGAS-STING信号通路分别感受RNA病毒和DNA病毒的入侵并通过活化转录因子IRF3和NFκB,启动包含I型干扰素(IFN)在内的众多抗病毒细胞因子的产生1。已有的遗传学数据表明,激酶TBK1/IKKε和IKKα/β分别在活化IRF3和NFκB的过程中发挥不可替代的作用2,3。但是,关于这些激酶如何被活化并不十分清楚。

近年来,世界各地陆续发现了多种重要的新型白蛉病毒,包括首先在我国分离鉴定的发热伴血小板减少综合征病毒(severe
fever with thrombocytopenia syndrome
virus,SFTSV)以及在美国中东部地区流行的Heartland
virus等,这些新发病毒可感染人类并导致严重的急性传染病。当前,以HRTV和SFTSV为代表的新型白蛉病毒已在世界范围内对公共健康造成了严峻威胁。王华林学科组的前期研究发现SFTSV可利用其NSs蛋白将宿主激酶TBK1/IKKε和转录因子STAT2/STAT1等不可逆地劫持到病毒包涵体(inclusion
body,IB)中,从而阻断宿主的固有免疫反应,并提出了一种
“病毒包涵体监狱”假说(Ning et al.,2014,JMCB;Ning et al., 2015,
JVI)。但HRTV是否具有类似的免疫抑制能力并不清楚。该学科组最新研究发现HRTV
NSs同样具有对干扰素系统的强烈抑制活性,但HRTV
NSs并未诱导明显的包涵体形成,进一步研究发现HRTV采用了一种与SFTSV有明显差别的固有免疫抑制机制:HRTV虽可同样利用其NSs靶向宿主激酶TBK1,但这一作用并没有导致“NSs-TBK1-IRF3”复合物的形成或将其劫持在任何类似包涵体的结构中,而是阻断了TBK1与其底物IRF3的互作,从而抑制了干扰素及其他炎症因子的诱导。这些研究结果拓展了对新发白蛉病毒免疫拮抗机制及其潜在毒力因子的理解,将有利于特异性抗病毒药物或疫苗的研究。本研究还显示了这些白蛉病毒属同源病毒固有免疫抑制能力的保守性及其作用机制的变异性,利用这些病毒作更多的比较性研究或可在进化的角度进一步加深对病毒-宿主互作的认识。

“蜱虫病”又称为“高热伴血小板减少综合征”,是一种新现病毒性传染病。这种新传染病起病急,在危重病人有高热伴出血症状,很快导致全身器官衰竭,病死率一度高达15%以上,引起国内外学界高度关注。邢峥教授实验室自2011年起开始研究这一新现病毒的病原生物学和疾病发病机制,首先报道这种新型布尼亚病毒可以在人单核细胞内增殖、产生炎性因子,以及炎性因子产生的调控通路,并发现病毒的非结构蛋白NSs可以抑制抗病毒干扰素的产生
。他们也报道了NSs可以和干扰素信号传导通路中起关键作用的TBK1激酶相互作用,但当时其抑制干扰素诱导的机制并不明确(Qu
et al, J. Virol. 2012)。

蒋争凡课题组首先从RLR-MAVS信号通路着手,通过一系列基因敲除研究发现E3泛素连接酶TRAF蛋白在此通路中至关重要:缺失TRAF蛋白的细胞完全丧失对RNA病毒的反应。有意思的是,回复实验表明TRAF2/3/5/6中任意一个成员都能不同程度回复对病毒的反应,提示不同TRAF蛋白在机体应对RNA病毒的免疫反应中分别起不同作用。进一步的机制研究表明,TRAF蛋白与TBK1/IKKε形成复合体,通过与MAVS蛋白中的TRAF结合序列招募TBK1/IKKε到MAVS,进而促进激酶的自磷酸化及激活。同时,IKKα/β的活化也完全依赖于TRAF蛋白,后者合成的泛素链被NEMO识别并诱导IKKα/β活化,活化的IKKα/β可以直接磷酸化TBK1/IKKε,促进激酶的完全激活。非常有趣的是,研究还发现没有NFκB/NEMO活化的情况下,细胞仍产生少量的I-型干扰素4。

该研究得到了国家自然科学基金创新研究群体、国家重点研发计划以及研究所“一三五”等项目的资助。

病毒感染形成的包涵体,是一种特殊的亚细胞结构。教科书观点一直认为包涵体是病毒合成过程中多余的病毒蛋白堆积而成,似乎没有实际功能。吴晓东观察到,NSs在感染的细胞中可以形成包涵体;由于NSs可以跟TBK1相互作用,NSs因而将TBK1从包浆中的功能位置,移位到具有相对不溶性的包涵体而失活。不但如此,因为TBK1
还可以跟IKKe结合,同时TBK1被感染激活之后,磷酸化并结合信号通路下游的IRF3,因而借助与TBK1的作用,NSs也将IKKe和IRF3一并带进包涵体“雪藏”(sequestration),直接导致转录因子IRF3不能进入细胞核、诱导干扰素产生障碍(Wu
et al, J. Virol.
2014)。最近吴晓东又发表论文,阐明这种包涵体的本质是脂滴小体(Lipid
Droplet),并进一步指出这种新病毒的增殖与细胞脂质代谢有关(Wu et al, FASEB
J. 2014)。

有趣的是,这种IKKα/β和TBK1/IKKε相互活化的机制同样存在于由DNA病毒感染而激活的cGAS-STING通路中。课题组意外地发现低浓度的血清培养可以强烈促进细胞对DNA病毒的反应。尤为重要的是,血清饥饿使以往对细胞质DNA没有反应的细胞株,如HeLa细胞对DNA或者DNA病毒产生很强的反应。以此为基础,课题组对NFκB活化在cGAS-STING通路中的作用展开了系统研究,并发现NEMO或者NFκB的缺失/失活使细胞对DNA病毒的反应急剧降低。进一步的机制研究发现,NEMO-IKKα/β复合体也是通过结合泛素链而被活化。为了寻找这个通路中合成这些泛素链的E3泛素连接酶,他们对可能的E3泛素连接酶进行了组合敲除筛选,最终发现只有当同时缺失E3泛素化连接酶TRIM32和TRIM56后,细胞完全丧失对DNA病毒的反应,表现为病毒诱导细胞的泛素链合成及IKKα/β活化消失,证明STING通过TRIM32和TRIM56合成泛素链来活化NEMO-IKKα/β,进而促进TBK1/IKKε的活化。该工作也首次从遗传学角度阐明IKKα/β-NFκB在cGAS-STING通路中的重要作用5。

论文链接

本研究改变了我们对于病毒包涵体功能传统的认识,揭示了病毒包涵体在某些病毒感染过程中,具有辅助病毒免疫逃逸的功能。蜱虫病布尼亚病毒NSs蛋白的这种机制极为独特,在病毒的发病机制中显然起重要作用;通过对包涵体功能作用的重新认识,针对病毒包涵体作为药靶,可以为抗病毒药物的设计提供新思路。

越来越多的研究表明,RLR-MAVS和cGAS-STING通路不但在抗病毒天然免疫反应中发挥重要的作用,在肿瘤的发生、迁移及免疫治疗方面也非常重要。传统的研究认为IKKα/β介导的NFκB通路对肿瘤的迁移十分重要,而TBK1/IKKε介导的I型干扰素通路在肿瘤的免疫治疗中发挥重要作用。蒋争凡研究组发现的IKKα/β和TBK1/IKKε相互活化的机制可能会为肿瘤的免疫治疗及抗肿瘤药物的研发提供新的切入点和方向。

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HRTV NSs与SFTSV NSs对TBK1-IRF3信号的差异性调节机制模式图

RLR-MAVS和cGAS–STING信号通路中激酶TBK1/IKKs活化机制模式图

2012级PTN博士生方润为这两篇论文的第一作者,蒋争凡教授为通讯作者。蒋争凡实验室的博士生蒋启飞、王晨光、张睿、高鹏飞和于晓彧等同学在工作中给予了很多帮助。研究工作在国家自然科学基金委、科技部973计划、北京大学“蛋白质与植物基因研究”国家重点实验室、北京大学“细胞增殖与分化”教育部重点实验室及北大-清华生命科学联合中心的资助下完成。

1 Wu, J. & Chen, Z. J. Innate immune sensing and signaling of cytosolic
nucleic acids. Annu Rev Immunol 32, 461-488,
doi:10.1146/annurev-immunol-032713-120156 (2014).

2 Hemmi, H. et al. The roles of two IkappaB kinase-related kinases in
lipopolysaccharide and double stranded RNA signaling and viral
infection. J Exp Med 199, 1641-1650, doi:10.1084/jem.20040520 (2004).

3 Li, Z. W. et al. The IKKbeta subunit of IkappaB kinase (IKK) is
essential for nuclear factor kappaB activation and prevention of
apoptosis. J Exp Med 189, 1839-1845 (1999).

4 Fang, R. et al. MAVS activates TBK1 and IKKepsilon through TRAFs in
NEMO dependent and independent manner. Plos Pathog 13, e1006720,
doi:10.1371/journal.ppat.1006720 (2017).

5 Fang, R. et al. NEMO-IKKbeta Are Essential for IRF3 and NF-kappaB
Activation in the cGAS-STING Pathway. J Immunol 199, 3222-3233,
doi:10.4049/jimmunol.1700699 (2017).

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