《Cell:揭示新冠病毒破坏人体细胞的剪接、翻译和蛋白运输,从而抑制人体抗病毒防御》

  • 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:2020-10-14
  • 在世界进入COVID-19大流行半年多的时候,医生和科研人员对这种疾病的主要症状---咳嗽、发烧、呼吸急促和疲劳等---有了相当好的了解。但是,对治疗症状同样重要的是,要了解导致COVID-19的冠状病毒SARS-CoV-2在人体细胞中做了什么而让人如此生病。

    像所有病毒一样,SARS-CoV-2闯入宿主细胞,劫持它的资源和分子机器来制造更多的病毒。从进化的角度来说,成功存活下来的病毒能够有效地躲避宿主细胞的防御,但又不直接杀死它们(毕竟,病毒需要细胞保持活力才能增殖)。

    人体细胞(更广泛地说,哺乳动物细胞)有内置的防御机制来应对病毒感染。细胞中病毒遗传物质的存在会触发一连串的事件,导致一组称为干扰素的蛋白的产生和分泌,所产生的干扰素试图抑制感染,并通知邻近的细胞有威胁存在。人们已发现,具有重症COVID-19症状的患者也表现出低水平的干扰素反应,这表明干扰素反应对对抗病毒至关重要。SARS-CoV-2如何抑制这些正常的防御机制?

    如今,在一项新的研究中,来自美国加州理工学院和佛蒙特大学等研究机构的研究人员确定了SARS-CoV-2病毒让人体细胞丧失能力的机制:这基本上使得人体细胞的报警系统失效,从而无法呼救附近细胞的帮助,也无法提醒附近细胞存在感染。了解这种病毒如何导致细胞水平上的功能障碍,为如何对抗它提供了新的见解。相关研究结果于2020年10月8日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“SARS-CoV-2 disrupts splicing, translation, and protein trafficking to suppress host defenses”。论文通讯作者为加州理工学院生物学教授Mitchell Guttman博士和佛蒙特大学医学院研究员Devdoot Majumdar博士。

    SARS-CoV-2病毒会产生大约30种病毒蛋白。在这项新的研究中,Guttman实验室检查了其中的每一种,并绘制了它们如何与实验室培养皿中培养的人体细胞内的分子成分相互作用。他们发现SARS-CoV-2蛋白会攻击三个关键的细胞过程,以破坏人类蛋白的产生。

    论文共同第一作者、佛蒙特大学的Emily Bruce说,“病毒太了不起了。病毒和宿主细胞不断进行进化军备竞赛,以战胜对方。SARS-CoV-2已进化出复杂而特殊的方法来使宿主细胞丧失功能,而不会直接杀死它们,这样这种病毒仍然可以利用宿主细胞达到它自己的目的。”

    先介绍一些基本的细胞生物学背景:细胞核容纳着细胞的遗传物质(基因组DNA)。细胞基因组可以被看作是一本综合性的指导手册,比如它的“章节”可能被命名为“如何发送信号”或者“在病毒感染的情况下该怎么做”。细胞的其余部分包含合成执行这些指令的蛋白(如干扰素)的分子机器。

    将DNA指令转化为有用的蛋白的过程被称为生物学的“中心法则”。第一步是转录,即细胞核中的一段DNA被读取并产生一种称为mRNA的分子,mRNA可以离开细胞核并迁移到细胞的其余部分。在从细胞核中迁出之前,mRNA通常会在一种称为“剪接(splicing)”的过程中重新组装和“成熟”。

    当mRNA从细胞核中输出后,细胞中的一种称为核糖体的分子机器会附着在成熟的mRNA上,读取它,并通过一种称为翻译的过程制造相应的蛋白。

    其中的一些蛋白可以从初始的细胞中迁移出去而向其他细胞传递信息,比如警告病毒感染的存在。在这种情况下,另一种称为信号识别颗粒(signal recognition particle, SPR)的分子机器就会发挥作用:它作为一种运输系统,协助蛋白从细胞内移动到细胞外。这就是所谓的蛋白运输。

    Guttman实验室发现SARS-CoV-2蛋白在多个阶段干扰了这整个过程。这种病毒的一些蛋白阻止人体细胞mRNA完全剪接和正确组装。另一些蛋白则堵塞了核糖体,使得它无法形成新的蛋白。还有一些SARS-CoV-2蛋白干扰信号识别颗粒,从而阻止蛋白运输。

    堵塞核糖体的病毒蛋白叫做NSP1。值得注意的是,这些研究人员发现,NSP1阻止人类mRNA进入核糖体,但允许病毒mRNA顺利通过。每一种病毒mRNA在它的开始处都包含遗传签名(genetic signature),该遗传签名像存取密码那样起作用,使得每种病毒mRNA有效地劫持核糖体来制病毒蛋白,而不是人体蛋白。鉴于病毒生产依赖于这种遗传签名,它可能代表了一种强效的用于开发抗病毒疗法的靶标。

    Guttman说,“SARS-CoV-2破坏的每一种过程---剪接、翻译和蛋白运输---对于将人类的遗传物质转化为蛋白质非常重要,它们对于人类生物学来说是必不可少的。事实上,这些过程中每一种的发现都分别导致了诺贝尔奖的颁发。这些过程对生命至关重要。没有它们,我们就无法生存。SARS-CoV-2以非常特殊的方式进化,使得这些过程失去功能,破坏它们的功能。”

    论文共同第一作者、Guttman实验室研究生Abhik Banerjee说,“我们的研究说明了基础科学研究的重要性,并建立了一条管道来解决未来新出现的RNA病毒。此外,它还说明了加州理工学院和科学界其他地方的科学合作氛围是非常好的。”

    论文共同第一作者、Guttman实验室研究员Mario Blanco对此表示同意,“我们研究SARS-CoV-2蛋白识别人类RNA靶标的能力使得我们能够在没有事先证据的情况下确定这些机制。我们在这项研究中开发的方法措施将使得我们能够将这些相同的过程应用于新出现的疾病,甚至是目前存在的我们对作用机制缺乏深刻理解的病毒。”

  • 原文来源:https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0092867420313106; https://phys.org/news/2020-10-sars-cov-disables-human-cellular-alarm.html
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  • 《Cell Rep: 新冠病毒家族ORF6蛋白抑制抗病毒干扰素信号活性》

    • 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:2021-04-02
    • ORF6基因是sarbecoviruses病毒家族(例如SARS-CoV和SARS-CoV-2)与其他beta属冠状病毒最重要的区别。根据最近发表在《Cell Reports》杂志上的一项研究,来自日本东京大学的Kei Sato教授及其同事揭示了ORF6编码蛋白抑制先天免疫信号的活性,例如能够抑制病毒感染后I型与 III型IFN信号的上调。此外,研究发现SARS-CoV-2来源的ORF6蛋白比其来自SARS-CoV的同源蛋白能够更加有效地抑制宿主细胞先天免疫活性。突变分析表明,E46和Q56是SARS-CoV-2 ORF6拮抗活性的重要决定因素。研究表明,ORF6的抗先天免疫活性取决于其C末端区域,该区域能够抑制IRF3的核转运活性。最后,研究揭示自然条件下发生的移码/无义突变,这些突变导致约0.2%的SARS-CoV-2毒株中的ORF6失活。 首先,作者评估了β冠状病毒的系统发育关系,包括SARS-CoV,SARS-CoV-2,MERS-CoV,OC43和HKU1。根据全长病毒基因组的系统树以及编码ORF1ab,刺突蛋白(S),包膜蛋白(E),膜蛋白的五个病毒核心基因的亲缘关系,对病毒株进行分类。分析显示, sarbecoviruses亚属内的不同病毒基因的系统发育存在拓扑差异特征,这与此前的研究一致。然而,某些病毒基因,例如E(在SARS-CoV-2中由 75个氨基酸组成)相对较短,因此难以可靠地推断出它们的系统发育关系。E基因的系统树中分离出了两种属于Sarbecovirus的病毒BtKY72和BM48。相比之下,其他六种系统发育树在beta冠状病毒的五个亚属之间显示出几乎相同的关系。这些结果表明,尽管重组事件可以在sarbecoviruses之间发生,但在所分析的β-冠状病毒之间并未发生病毒重组现象。 然后,作者比较了不同亚属的基因组组织结构。结果显示,核心基因(ORF1ab-S-E-M-N)的排列是保守的。 在Hibecovirus和Embecovirus成员中检测到ORF1ab和S之间存在可变开放阅读框(ORF),而在所有β冠状病毒中,S和E之间均检测到可变ORF。 然而,仅在Sarbecovirus和Hibecovirus亚属的成员中观察到M和N之间的ORF插入现象。 当比较这些ORF的序列时,Sarbecovirus中的基因与Hibecovirus中的基因不匹配,表明这些ORF在这些亚属分化之后独立出现。 值得注意的是,ORF6在包括SARS-CoV和SARS-CoV-2在内的sarbecovirus病毒中高度保守,但在其他beta冠状病毒中却并非如此。 由于先前的报道表明SARS-CoV 的ORF6蛋白具有抑制IFN-I激活以及抑制ISG活性的能力,因此作者比较了代表性的Sarbecovirus ORF6蛋白的表型特性。 结果表明,Sarbecovirus ORF6基因的系统发育拓扑特征与全长病毒基因组相似,这表明在Sarbecovirus病毒中未发生涉及ORF6基因的重组事件。为了进行表型分析,作者从SARS-CoV-2(Wuhan-Hu-1)中克隆得到了ORF6的表达质粒,以及从蝙蝠(RmYN02,RaTG13和ZXC21)和穿山甲(P4L)产生的SARS-CoV-2中得到了相关病毒基因。WesternBlot结果显示,SARS-CoV-2谱系的ORF6蛋白的表达水平低于SARS-CoV谱系和两种外群病毒的表达水平。荧光素酶报告检测结果显示,ORF6能够抑制一系列IFN相关基因的表达,包括IFN-B1,IFN-L1,IFI-44L,等等。这些结果表明Sarbecovirus 来源的ORF6具有抑制IFN天然免疫信号的能力。 为了研究ORF6抑制IFN信号活性的内在机制,作者进行了片段缺失突变与点突变分析。结果显示,C末端的肽段对于ORF6的活性具有关键影响。进一步,作者发现其中两个氨基酸残基E46 与Q56对于该活性至关重要。 最后,作者对目前流行的SARS-CoV-2中的ORF6蛋白进化特征进行了分析。结果表明,0.2% (124 /66741)的致病毒株在演化过程中由于移码突变或无义突变失去了C末端的活性,这暗示了这些变异后的毒株感染人体后或许会导致更强的IFN信号产生。
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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:2022-10-21
    • 在一项新的研究中,来自美国宾夕法尼亚大学、德克萨斯大学医学部、波士顿大学和波士顿医学中心的研究人员发现SARS-CoV-2病毒会产生一种模拟包装DNA的蛋白的蛋白,从而阻止通常在免疫反应中发挥作用的转录。相关研究结果于2022年10月5日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“SARS-CoV-2 disrupts host epigenetic regulation via histone mimicry”。 在这篇论文中,这些作者描述了他们如何将包装人类DNA的蛋白---组蛋白---与SARS-CoV-2病毒产生的蛋白进行比较,以及这样做表明了什么。 瑞士伯尔尼大学的Lisa Thomann和Volker Thiel在同期Nature期刊上发表了一篇标题为“SARS-CoV-2 mimics a host protein to bypass defences”的新闻与观点类型文章,描述了这些作者在这项新的研究上所做的研究工作。 随着COVID-19大流行病的持续和减轻,科学家们继续研究导致COVID-19的冠状病毒SARS-CoV-2,他们关注的领域之一是这种病毒抑制受感染者的宿主细胞反应的非凡能力。在这项新的研究中,这些作者更仔细地观察了人类细胞中包装DNA的组蛋白和SARS-CoV-2产生的蛋白之间的关系。 先前的研究已表明,SARS-CoV-2产生三种主要类型的蛋白;参与复制的蛋白、参与结构过程的蛋白和辅助蛋白。 辅助蛋白参与了广泛的活动。先前的研究还表明,人类的DNA被包装在称为组蛋白的蛋白中---它们的作用是将DNA链固定在适当的位置,组蛋白的作用是将DNA链固定在适当的位置,并充当读取DNA链的蛋白(DNA读取蛋白)的守门员,DNA读取蛋白利用读取的DNA信息发挥功能,如向身体其他部位发送信号。当宿主被感染时,一些信号传导参与其中,以促使宿主防御机制对抗入侵的病原体。 在这项新的研究中,这些作者发现有证据表明,SARS-CoV-2病毒产生的一种辅助蛋白(ORF8)能够模拟至少一种包装DNA的组蛋白(KAT2A)。通过这样做,这种病毒抑制了宿主遭受感染时应该发生的那种信号传导,从而减少了宿主免疫反应。 参考资料: John Kee et al. SARS-CoV-2 disrupts host epigenetic regulation via histone mimicry. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05282-z. Lisa Thomann et al. SARS-CoV-2 mimics a host protein to bypass defences. Nature, 2022, doi:10.1038/d41586-022-02930-2.