《Science:揭示蛋白BAF阻止细胞攻击自身DNA机制》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2020-08-18
  • 病毒通过将其DNA注入宿主细胞进行增殖。一旦它进入细胞内液体,这种外来物质就会触发一种称为cGAS-STING途径的防御机制。一种称为环GMP-AMP合酶(cGAS)的蛋白也存在于液体内,它与入侵的DNA结合,产生一种新分子。这接着又与另一种叫做STING的蛋白结合,从而诱发炎症免疫反应。

    有时,液体内所含的物质--以及与cGAS蛋白接触的物质--不是来自病毒,而是来自细胞本身,比如细胞核意外破裂后。当这种情况发生时,cGAS-STING途径并没有被激活。

    如今,在一项新的研究中,来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员证实了细胞如何对自己的DNA和来自病原体的遗传物质作出不同的反应,从而避免攻击错误的靶标。他们的发现为人体炎症反应中发生的复杂过程提供了新的见解。相关研究结果发表在2020年8月14日的Science期刊上,论文标题为“BAF restricts cGAS on nuclear DNA to prevent innate immune activation”。论文通讯作者为瑞士洛桑联邦理工学院的Andrea Ablasser教授。

    Ablasser教授及其团队针对一种称为Barrier-to-Autointegration Factor(BAF)的小蛋白的关键作用提出了新的见解。他们发现,通过与无害的DNA结合,BAF阻止cGAS蛋白结合DNA,从而阻止cGAS-STING途径激活。

    BAF可以增强细胞核的功能,将核膜与内部的DNA连接起来。实验表明,当将这种蛋白从实验室生长的细胞中移除时,细胞核会破裂。这种破裂将遗传物质释放到细胞内液中,在那里遗传物质与cGAS蛋白接触,并触发cGAS-STING途径,就像它是外来DNA一样。

    导致细胞核破裂的方法有很多种,比如施加机械压力。不过根据论文共同第一作者Baptiste Guey的说法,仅其中的一种方法---移除BAF蛋白---能引起免疫反应。Guey说,“因此,我们可以得出结论,BAF在防止细胞攻击自己的DNA方面起着关键作用。”

    这种蛋白的抑制作用极为重要:虽然cGAS-STING途径帮助身体抵御感染,但它也需要受到控制。论文共同第一作者Marilena Wischnewski说,“细胞核偶尔会破裂,但细胞能够修复损伤。如果cGAS每次都与DNA结合,后果会更严重。”

    过度活跃的cGAS-STING途径的危害可以在Aicardi-Goutières综合征中观察到。这种种罕见且通常是致命的遗传性疾病会诱发过度的炎症反应,就像身体的细胞不断受到入侵病原体的攻击一样。

    BAF也被认为在某些类型的肿瘤中起作用。根据Wischnewski的说法,癌细胞中高浓度的BAF可能与较差的预后有关。她解释说,“这可能是BAF让肿瘤更具抵抗力。通过防止cGAS-STING途径的激活,它可能会让癌细胞逃避身体的免疫系统。”

    这种蛋白在不同类型的细胞中以不同数量存在。这些研究人员计划深入研究这些数量变化,这是因为他们试图了解不同组织类型如何应对感染和炎症。

  • 原文来源:https://science.sciencemag.org/content/369/6505/823;https://phys.org/news/2020-08-protein-cells-dna.html;http://news.bioon.com/article/6777279.html
相关报告
  • 《Science:揭示登革热病毒蛋白NS1致病机制,发现利用中和抗体2B7可阻止这种蛋白破坏内皮细胞》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2021-01-13
    • 在一项新的研究中,来自美国加州大学伯克利分校和密歇根大学的研究人员发现一种抗体可以阻断登革热病毒在小鼠体内致病的能力。这一发现为针对登革热和类似疾病开发有效的治药物和疫苗提供了可能。相关研究结果发表在2021年1月8日的Science期刊上,论文标题为“Structural basis for antibody inhibition of flavivirus NS1–triggered endothelial dysfunction”。 登革热病毒是一组被称为黄病毒的病毒中的一员,每年导致5000万至1亿例登革热疾病,没有有效的药物或疫苗。这组病毒的其他成员包括导致寨卡、黄热病和西尼罗热的病毒。 在这项新的研究中,这些作者揭示了一种名为2B7的抗体如何中和登革热病毒制造的一种特殊蛋白---这种蛋白是这种病毒能够复制和致病的关键。 这种称为NS1(non-structural protein 1,非结构蛋白1)的蛋白在患者的血液中循环,并通过直接与内皮细胞(在器官周围形成保护性屏障的细胞)相互作用而加剧疾病。通过破坏内皮细胞之间的连接,NS1削弱了这一屏障,增加了通透性,导致血管渗漏增加,这是重症登革热疾病的标志。这种内皮细胞的通透性也可能使得这种病毒更容易穿过屏障,从而感染和损害靶器官。 这些作者和其他研究人员此前已经证明,即使在没有感染性病毒颗粒的情况下,这种蛋白本身也能引起内皮屏障的渗漏。而在登革热病毒感染的情况下,发现宿主血液中循环的NS1越多,感染就可能越严重。 论文共同通讯作者、加州大学伯克利分校公共卫生学院传染病和疫苗学教授Eva Harris说,“我们想到的是细菌毒素,但这种病毒毒素的想法是一个新概念。这真地是一种重要的蛋白,它对于我们如何看待病毒蛋白及其在疾病中的功能有重要的意义。” 在这项新的研究中,这些作者确定了这种蛋白中负责破坏内皮细胞的特定区域:一个使该蛋白能够连接到宿主细胞的翼区(wing region)和另一个引发内皮细胞内发生破坏性事件的区域。 通过分析2B7抗体附着在这种蛋白上的精确方式,他们发现该抗体仅通过阻挡这种蛋白的去路,就能够中和这两个区域。该抗体以翼区无法到达内皮细胞的方式连接到NS1上,从而阻止这种蛋白附着到内皮细胞上,也就阻止与它们相互作用并破坏它们。 论文共同第一作者、密歇根大学生命科学研究所研究员David Akey说,“这种合作方法为我们理解这种蛋白的生物学特性、它与细胞的相互作用及其发病机制提供了很多很好的见解。这是一个结合结构和功能来开辟治疗途径的例子。” 目前还没有找到有效治疗登革热的方法,原因之一是该病可由四种不同的病毒毒株(登革热病毒1、2、3或4型)中的一种引起。拥有针对一种病毒毒株的抗体实际上可以增加另一种病毒毒株后续感染的严重性,这种现象称为抗体依赖性增强。 然而,通过只与NS1蛋白结合而不是与病毒颗粒本身结合,2B7抗体不会导致感染的抗体依赖性增强。 论文共同通讯作者、密歇根大学生命科学研究所教授Janet Smith说,“这些发现告诉我们,我们可以通过阻断这种在血液中循环的蛋白上的这些位点,真正对这种病毒的发病机制产生影响。它不仅为治疗感染的疗法提供了一种策略,也为预防感染的疫苗提供了一种策略。” 鉴于NS1蛋白是由许多黄病毒产生的,这些作者认为,针对NS1的抗体可能对治疗或预防多种黄病毒有用。 Harris说,“我们不仅能够展示该抗体如何保护宿主细胞的机制,还能够展示这种在其他黄病毒中保守的蛋白的实际发病机制。” 论文共同第一作者、Harris实验室博士后研究员Scott Biering说,“我认为这种抗体与其他黄病毒NS1蛋白的交叉反应是这项研究中最令人兴奋的发现之一。这项研究提供概念验证,表明你可以靶向这种蛋白来阻止多种黄病毒的发病机制。这不仅为更好地理解这种病毒的机理,而且为开发有效的治疗方法开辟了很多途径。”
  • 《Science子刊:从结构上揭示钙蛋白酶抑制剂双重抑制新冠病毒主蛋白酶和人类组织蛋白酶L机制,有助开发更有效的药物用于治疗新冠》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2020-11-19
    • SARS-CoV-2是引起COVID-19疾病的呼吸道病毒,它通过多个步骤攻击人体。进入肺部深处的细胞和劫持人类宿主细胞的分子机器以产生病毒自身的副本是最早的两个步骤---这两个步骤对于病毒感染都是至关重要的。 在一项新的研究中,来自美国亚利桑那大学和南佛罗里达大学等研究机构的研究人员发现一些现有的化合物可以同时抑制SARS-CoV-2在人体细胞内复制所需的关键病毒蛋白--主蛋白酶(main protease, Mpro)和对病毒进入宿主细胞很重要的人类蛋白---组织蛋白酶L(cathepsin L),从而为设计针对COVID-19的抗病毒药物提供了启示。相关研究结果近期发表在Science Advances期刊上,论文标题为“Structure and inhibition of the SARS-CoV-2 main protease reveals strategy for developing dual inhibitors against Mpro and cathepsin L”。 论文共同通讯作者、南佛罗里达大学摩萨尼医学院分子医学副教授Yu Chen博士说,“如果我们能够开发出关闭或显著减少这两个过程---病毒进入和病毒复制---的化合物,这种双重抑制可能会增强这些化合物在治疗冠状病毒感染方面的效力。打个比喻,这就像一石二鸟。”他擅长基于结构的药物设计。 这项新的研究建立之前的研究工作---鉴定出并分析了几种有前景的现有抗病毒药物作为治疗COVID-19的候选药物---的基础之上。所有被选中的候选药物都靶向Mpro,以阻断SARS-CoV-2在实验室培养的人类细胞内的复制。 其中两种化合物,即钙蛋白酶(calpain)抑制剂II和XII,在生化测试中对Mpro的活性不如另一种名为GC-376的候选药物。然而,论文第一作者、Chen博士实验室的博士生Michael Sacco说,钙蛋白酶抑制剂,特别是钙蛋白酶抑制剂XII,实际上比GC-376在细胞培养物中杀死SARS-CoV-2的效果更好。 Sacco说,“我们想,如果这些钙蛋白酶抑制剂不能那么有效地抑制这种冠状病毒的Mpro,那么它们一定是在做其他事情方能解释它们的抗病毒活性。”他们从其他研究小组所做的研究中了解到,钙蛋白酶抑制剂可以阻断其他的蛋白酶,包括组织蛋白酶L,这是一种参与介导SARS-CoV-2进入细胞的关键人类宿主蛋白酶。 在这项新的研究中,这些研究人员使用了先进的技术,特别是X射线晶体学技术,以直观地了解钙蛋白酶抑制剂II和XII如何与病毒蛋白Mpro相互作用。他们观察到,钙蛋白酶II抑制剂与预期的一样,贴合到位于SARS-CoV-2 Mpro表面的靶结合位点上。出乎意料的是,他们还发现钙蛋白酶XII抑制剂采用了一种独特的构型---称为“倒置的结合姿势(inverted binding pose)”,以紧密地贴合在Mpro的活性结合位点上。(紧密贴合优化了这种抑制剂与靶病毒蛋白之间的相互作用,降低了协助SARS-CoV-2增殖的Mpro的活性)。 Chen博士说,“我们的研究结果为我们在未来如何设计更好的抑制剂来靶向这种关键病毒蛋白提供了有用的结构信息。” Chen博士说,除了同时靶向病毒蛋白酶Mpro和人类组织蛋白酶L提高效力(以较低的剂量获得理想的药物效果)外,双重抑制剂的另一个好处是它们有潜力抑制耐药性。 SARS-CoV-2会发生突变,这可能会改变它的靶基因序列。这些病毒突变会欺骗人体细胞,让这种病毒附着在细胞表面膜上并导入它的遗传物质到细胞中,并能改变病毒蛋白的形状以及它们与细胞内其他分子(包括抑制剂)的相互作用方式。 当SARS-CoV-2发生突变以便继续增殖时,它可能会对某种抑制剂产生抵抗性,从而降低这种化合物的有效性。换句话说,如果这种病毒的靶基因序列(锁)发生变化,那么钥匙(抑制剂)就不再适合那把特定的锁。但是假设同一把钥匙可以打开两把锁,以帮助阻止这种病毒感染;在这种情况下,这两把锁是Mpro(病毒靶蛋白)和组织蛋白酶 L(人类靶蛋白)。 Chen博士说,“这种病毒很难同时改变两把锁(两个药物靶标)。因此,双重抑制剂使得抗病毒药物耐药性更难形成,这是因为即便这个病毒靶蛋白发生变化,这种类型的化合物对没有发生变化的人类宿主蛋白仍然有效。” 这些研究人员继续对现有的抗病毒候选药物进行微调,以改善它们的稳定性和性能,并希望将他们所学到的知识应用于帮助设计新的COVID-19药物。他们的下一步研究工作将包括解决钙蛋白酶抑制剂如何在化学和结构上与组织蛋白酶L相互作用。