《人类的心脏可能是被病毒搞大的?斯坦福科学家《细胞》子刊新发现》

  • 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:2020-09-09
  • 在一部名叫《圣诞怪杰》(How the Grinch Stole Christmas)的电影里,金·凯瑞(Jim Carrey)扮演的绿色精灵格林奇“心胸狭窄”,心脏只有人类的1/4大小,他偷走了圣诞节的一切喜悦和美好。不过后来,小镇上的人们向他展示了圣诞节的真正含义(在逆境中彼此相爱),他的心脏膨大到了原来的三倍。

    字面意义上的“心变大”,在健康人类身上并不是一蹴而就的过程。不过,人类和大猩猩等大型灵长动物在演化过程中,心脏尺寸的确发生了“格林奇式”的转变,相比最初的小型哺乳动物,增加了好几倍。一般认为,更大的心脏增加了血液供应能力,从而一定程度上成就了我们如今相对较大的体型。

    最近,斯坦福大学医学院的Kitchener Wilson博士与其心血管研究所所长吴庆明(Joseph Wu)教授等科学家合作,揭示了促进心脏变大的一个因素:竟然是默默藏身于我们基因组里的病毒序列。

    这些病毒片段来自古老的病毒感染。几千万年,某些逆转录病毒感染了我们的猿类祖先,并把自己的遗传物质插入了宿主的基因组,一直流传下来,被称为内源性逆转录病毒。

    多年来人们认为,DNA里混进来的这些古老搭车客对宿主细胞的发育或功能并无影响。但最近,科学家们开始意识到,其中某些序列对邻近基因的表达很重要,特别

    让这支研究团队感兴趣的,是内源性逆转录病毒衍生的一种长链非编码RNA序列,被称为BANCR。除了出现在某些癌症中,BANCR仅仅在人类等少数几种大型灵长动物发育中的心肌细胞里活跃。

    心肌细胞是难以再生的心脏细胞,它们的协调收缩导致了心脏跳动。而BANCR特别存在于胎儿心肌细胞中这一事实表明,它对心脏发育十分重要。

    “我们利用诱导多能干细胞技术,研究了BANCR表达在人类、大猩猩、黑猩猩和猕猴的胚胎心肌细胞中的影响,发现它会有助于发育中的心肌细胞进行迁移。” Wilson博士说。

    一些有趣的迹象表明,BANCR对心肌细胞迁移的作用会影响心脏大小。

    啮齿类动物体内没有BANCR。而研究人员在胚胎小鼠中人工导入BANCR以后,动物发育出的心脏拥有大于正常尺寸的左心室。对大鼠心脏注射一种表达BANCR的病毒,在特定实验条件下,同样导致了心脏的扩张。这些结果进一步表明,BANCR具有促进心脏增大的作用。

    此外,研究人员发现有一种叫扩张型心肌病的儿童罕见病,患者心脏异常大而且功能差,表达的BANCR则高于正常水平。这种疾病可能危及生命。研究者谨慎地期望,他们的发现或能应用于未来的可能疗法。

    “如今我们有一些证据表明,这种逆转录病毒序列特异地影响了心脏的大小和功能。”Wilson博士总结说,“我们看到,灵长类祖先身上发生了古老的病毒感染,后来所有携带这些序列的灵长动物都有了更大的心脏。”

    事实上,我们体内的这类病毒“化石”并不罕见,人类基因组的8%~10%由内源性逆转录病毒组成,是实际编码蛋白质的基因的四五倍。越来越多的证据显示,这些古老病毒感染的残留物可能参与了癌症、精神分裂、多发性硬化等诸多疾病的发生,而它们看来还改变了人类演化的进程,如今从人类胚胎成形之处就开始影响我们。

  • 原文来源:http://news.bioon.com/article/6778125.html
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    • 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:2023-01-16
    • 大家都知道这场持续了三年之久的疫情是由新型冠状病毒引起的,可能还有些人了解新冠病毒是一个单链RNA病毒,它是使用自己的刺突蛋白,与细胞上的血管紧张素转化酶酶2(简称ACE2)受体结合来完成识别的,接着病毒就会进入宿主细胞并开始复制,最终引发疾病。但病毒究竟是如何进入呼吸系统的,病毒进入呼吸道上皮细胞以及如何在细胞间传播的分子机制尚不清楚。 2023年1月5日,来自斯坦福大学的科研团队在著名期刊Cell杂志在线发表了一篇名为《SARS-CoV-2 replication in airway epithelia requires motile cilia and microvillar reprogramming》的研究文章,这项研究首次详细阐述了新冠病毒感染呼吸道上皮细胞的分子机制,研究人员发现病毒通过ACE2受体附着在上皮细胞的纤毛上,并且使用纤毛作为进入细胞的通道。 鼻子是上呼吸道粘膜免疫的重要组成部分,它参与宿主保护的免疫稳态。鼻粘膜防御主要有两种类型,从生理角度上来说,由紧密结合的纤毛细胞、杯状细胞和基底上皮细胞、双层黏液层和基底膜构成的屏障是最主要的防御手段,但我们还不清楚哪些类型的细胞最先被感染。 作者首先利用原代细胞培养分化的手段生成了纤毛细胞、杯状细胞和基底细胞的鼻上皮类器官,这种类器官包括了正常人上气道上皮的形态和功能,接着用新冠病毒去感染培养的类器官,结果发现新冠病毒核衣壳蛋白和刺突蛋白只有在感染后的6、24 和 48 小时的时候在纤毛细胞中可见,这表明纤毛细胞更加容易被早期感染,因此,纤毛细胞是SARS-CoV-2在鼻上皮中的主要进入部位。 由于ACE2 和 TMPRSS2 是 SARS-CoV-2 感染的核心,并定位于呼吸道纤毛细胞上,通过染色定位实验作者发现这两种关键的受体蛋白在培养的类器官上也有同样的定位,因此作者假设SARS-CoV-2和其他呼吸道病毒通过ACE2附着在纤毛上以穿透PCL,并使病毒能够通过粘液蛋白层运输。我们刚刚提过黏液层是维持免疫稳态的一种重要的免疫屏障,因此研究人员用一种黏蛋白特异性的酶处理类器官,这种酶可以分解黏蛋白形成的网络结构,结果发现这加速了病毒的感染速度。 为了测试SARS-CoV-2是否在早期特异性的结合纤毛细胞,作者利用扫描和透射电子显微镜观察感染了病毒的类器官,结果证实多个病毒粒子附着在纤毛上,这表明纤毛被 SARS-CoV-2利用以穿过鼻上皮屏障。通过重组刺突蛋白与荧光偶联,并用延时显微镜观察说明SARS-CoV-2与纤毛ACE2受体结合以促进细胞进入。   基于以上的实验结果,作者假设减少纤毛的数量会阻碍病毒感染的进程,通过敲低对纤毛细胞形成至关重要的CEP83蛋白(不影响上皮或杯状细胞的分化),作者发现CEP83下调的确抑制了24和48hpi的类器官SARS-CoV-2感染水平。 进一步的,为了更好地了解鼻上皮中的病毒感染,作者探究了病毒从少数最初感染的细胞中排出的情况,结果发现病毒感染促进了细胞丝状伪足突起,诱导含病毒的丝状伪足可能对SARS-CoV-2的释放和后代病毒粒子在细胞间传播很重要。因此,作者使用透射电镜和IF染色系统地展示了原代气道上皮细胞中的微绒毛样结构。在纤毛状类器官的顶端表面上观察到两类突起:长而宽的活动纤毛和粗短的圆顶状微绒毛(图3A),接下来,通过共聚焦和免疫组化实验作者证明了SARS-CoV-2与微绒毛相互作用,使其能在受感染动物的呼吸道内传播。 而进一步的研究表明SARS-CoV-2使微绒毛发生延伸,通过调节微绒毛的结构和功能,通过促进高度延伸和分支的微绒毛的形成来促进病毒的排出。   原发性纤毛运动障碍(PCD患者),这是一种罕见的常染色体隐性遗传病,虽然呼吸道纤毛的数量和长度是正常的,但是失去了纤毛摆动和病原体清除的功能。通过使用患者的类器官培养物,作者发现在患者和健康供体中 24 hpi 时 SARS-CoV-2 感染细胞的百分比相似,这表明突变不会影响初始感染率,然而,在 48 hpi 时,PCD 患者的SARS-CoV-2感染细胞少于健康供体,这表明其在感染后期很重要。 除此之外,作者还探讨了细胞间的接触是否影响病毒的转移。我们知道呼吸上皮由多层细胞组成,然而,直到48 hpi时,只有最上层的细胞被病毒感染,下层的细胞很少被感染。因此,细胞间接触可能不是病毒在鼻上皮中传播的唯一途径。虽然病毒可能通过鼻上皮的细胞间接触传播,但作者认为传播取决于顶端表面的粘液流动。 鉴于在细胞中调节激酶能够控制细胞骨架的生成,作者探究了是哪些激酶被调控后促进了微绒毛的高度延伸,通过磷酸化蛋白质组学的手段,作者最终确定了五种激酶,包括细胞骨架重组p21活化激酶1和4(PAK1和PAK4),丝氨酸/苏氨酸激酶(AKT1/2),丝裂原活化蛋白激酶(p38)、丝裂原活化蛋白激酶(ERK1)和含有蛋白激酶1的ROCK1。作者确定这些激酶是否在感染细胞中磷酸化,所有五种药物均在类器官中被激活。 在动物实验中,研究人员采用鼻喷雾剂将SLK和PAK4激酶抑制剂应用于K18-hACE2转基因小鼠,结果PAK4激酶抑制剂可以部分抑制感染的水平,这为开发鼻腔喷雾剂来预防病毒感染提供了借鉴的范例。 总的来说,作者发现新冠病毒会首先感染呼吸道纤毛细胞,如果移除纤毛,则可阻止新冠病毒和其他呼吸道病毒的感染,同时,侵入的病毒会激活细胞中激酶来促进细胞骨架的形成,通过高度延伸的微绒毛结构将新生成的病毒送到黏液层,从而提高了病毒的传播能力。 事实上,并不是只有新冠病毒会通过这种方式进行传播,其他呼吸道病毒也可能通过同样的方式突破免疫屏障,就新冠病毒本身而言,大体来说,抗新冠病毒的药物可以归纳为两大类,一是阻止病毒和宿主细胞结合,二是阻止新病毒在宿主细胞内的产生,但是本项研究提出了一个新的预防性策略,那就是使用鼻喷剂或者其他预防性的短期药物来延迟病毒的进入、退出或传播,而这将有助于免疫系统及时赶上和到达,以阻止全面的感染发生。 参考文献: 1. Wu CT, Lidsky PV, Xiao Y, Cheng R, Lee IT, Nakayama T, Jiang S, He W, Demeter J, Knight MG, Turn RE, Rojas-Hernandez LS, Ye C, Chiem K, Shon J, Martinez-Sobrido L, Bertozzi CR, Nolan GP, Nayak JV, Milla C, Andino R, Jackson PK. SARS-CoV-2 replication in airway epithelia requires motile cilia and microvillar reprogramming. Cell. 2023 Jan 5;186(1):112-130.e20. 2. Hellings PW, Steelant B. Epithelial barriers in allergy and asthma. J Allergy Clin Immunol. 2020 Jun;145(6):1499-1509. 3. Gallo O, Locatello LG, Mazzoni A, Novelli L, Annunziato F. The central role of the nasal microenvironment in the transmission, modulation, and clinical progression of SARS-CoV-2 infection. Mucosal Immunol. 2021 Mar;14(2):305-316.
  • 《Nat Med深度解读!科学家发现SARS-CoV-2病毒或能感染人类口腔中的细胞!》

    • 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:2021-03-30
    • 日前,一篇刊登在国际杂志Nature Medicine上题为“SARS-CoV-2 infection of the oral cavity and saliva”的研究报告中,来自美国国立卫生研究院等机构的科学家们通过研究发现,引发COVID-19的病毒SARS-CoV-2或能感染口腔中的细胞。众所周知,上呼吸道和肺部组织是SARS-CoV-2感染的主要部位,但有研究线索表明,该病毒还会感染机体其它部位,比如消化道、血管、肾脏等,而本文最新研究表明,SARS-CoV-2还能感染口腔;其感染机体其它多个部位的潜力或能帮助解释COVID-19患者机体所出现的广泛的疾病症状,包括味觉丧失、口干及口腔起泡等口腔症状。此外,本文研究结果还指出,口腔或许在SARS-CoV-2传播到肺部和消化系统中扮演着关键角色,而这一过程是通过富含感染口腔细胞的病毒的唾液来实现的,更好地理解口腔在其中扮演的角色或能帮助开发减少病毒在体内和体外扩散传播的新型策略。 研究者Rena D'Souza表示,由于NIH为应对疫情采取了全员参与的应对措施,来自美国国立牙科和颅面研究所的研究人员也借助他们在口腔生物学和医学方面的专业知识来帮助回答有关COVID-19的关键问题。研究人员阐明了口腔在SARS-CoV-2感染和传播过程中扮演的关键角色,这一研究发现增加了目前科学家们对有效防治COVID-19的观点和知识。 如今研究人员已经知道,COVID-19患者的唾液中含有高水平的SARS-CoV-2,而且研究表明,唾液检测用于诊断COVID-19与鼻腔深部拭子的检测一样可靠。然而,科学家们并不是非常清楚的是,唾液中的SARS-CoV-2来自于哪里?在表现呼吸道症状的COVID-19患者群体中,唾液中的病毒很有可能来自于其鼻腔引流液或从肺部咳出的痰液,但研究者表示,这或许无法解释病毒是如何进入并未表现出呼吸道症状患者的口腔唾液中的。基于实验室的研究数据,研究人员推测,至少唾液中的一部分你病毒可能来自于患者口腔本身被感染的组织。 为了探索这种可能性,研究人员调查了来自健康人群的口腔组织来确定对SARS-CoV-2感染易感的口腔区域;易感细胞中含有特殊的RNA序列,其能帮助制造“进入蛋白”来帮助病毒进入细胞,研究人员在唾液腺和口腔内组织的某些细胞中发现了两种编码特殊进入蛋白的RNA,这两种蛋白质分别为ACE2受体和TMPRSS2酶,在一小部分唾液腺和牙龈细胞中,编码产生ACE2和TMPRSS2的RNA在同一细胞中表达,这就表明,易感性的增加是因为病毒被认为需要两种进入蛋白才能进入细胞。 研究者Warner说道,进入因子的表达水平与已知的易受SARS-CoV-2感染的区域类似,比如上呼吸道鼻腔通道中的组织等。一旦研究人员确认了口腔中对SARS-CoV-2易感的区域后,他们就能在COVID-19患者的口腔组织样本中寻找感染的证据,在NIH收集的因COVID-19死亡的患者机体样本中,研究人员发现,SARS-CoV-2病毒的RNA存在于被检查的一半以上唾液腺中,在其中已故的一位患者及一名急性COVID-19患者的唾液腺组织中,研究人员检测到了病毒RNA的特定序列,这或许表明,细胞正在积极地制造新的病毒拷贝,这就进一步增强了病毒所感染的证据。当研究人员发现了口腔组织感染的证据后,他们想知道是否这些组织可能是唾液中的病毒来源,而实际情况似乎是这样,在轻度或无症状的COVID-19患者机体中,从口腔脱落到唾液中的细胞被发现含有SARS-CoV-2病毒的RNA以及能编码进入蛋白的RNA序列。 为了确定唾液中的病毒是否具有噶男性,研究人员将来自8名无症状的COVID-19患者机体的唾液暴露于于培养皿中培养的健康细胞,其中两名志愿者的唾液感染了这些健康细胞,这就提出了可能性表明,即使无症状的感染者或许也会将感染性的病毒颗粒通过唾液传播给其他人群。最后,为了阐明口腔症状和唾液中病毒之间的关联,研究人员收集了来自35名轻度或无症状COVID-19志愿者的唾液样本,在出现症状的27人中,唾液中含有病毒的人更有可能报告味觉和嗅觉的丧失,这就表明,口腔感染可能是COVID-19患者出现口腔症状的基础。综合来看,本文研究结果表明,通过感染口腔细胞,口腔在SARS-CoV-2病毒的感染和传播过程中扮演着非常重要的角色,这要比此前研究人员认为的还要重要。当受感染的唾液被吞咽或吸入其中的微小颗粒时,研究人员认为其或许会潜在地将SARS-CoV-2进一步传播到机体的喉咙、肺部甚至肠道组织中。 后期研究人员还需要进行更多的研究来在更大规模的人群中证实这一研究结果,并确定口腔在体内或体外参与SARS-CoV-2感染和传播的确切性质。最后研究者Warner表示,通过揭示口腔在SARS-CoV-2病毒感染过程中发挥的未被重视的作用,我们的研究或提供了新的思路,来更好地帮助理解SARS-CoV-2的感染和传播机制;诸如此类研究结果也能够帮助指导开发抵御病毒感染并减缓COVID-19患者口腔症状的新型策略或方法。