《Science:新研究揭示VDAC蛋白寡聚体促进线粒体DNA释放和自身免疫反应》

  • 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:2020-01-14
  • 免疫系统利用它的线粒体自我刺激针对感染的先天性反应和适应性反应。活性氧(ROS)、具有免疫原性的线粒体DNA (mtDNA)甚至整个线粒体都在一个微妙的平衡中局部动员起来,从而产生炎性作用的热点。当这些过程的正常限制性反馈受到破坏时,有害的自身免疫反应常常就会出现。

    免疫系统不正常的一个常见迹象是血液中存在抗线粒体抗体(antimitochondrial antibody, AMA)。比如,在系统性红斑狼疮(SLE)中,可以发现靶向多个线粒体区室的AMA。一些AMA靶向通常在线粒体外膜中发现的蛋白,而另一些AMA靶向mtDNA。由此自然产生的一个问题是鉴于mtDNA在正常情形下位于线粒体基质内部,那么免疫系统如何发现从线粒体中释放出来的mtDNA。

    针对这个问题,来自美国国家心肺血液研究所等研究机构的研究人员在一项新的研究中发现释放出来的mtDNA可以导致狼疮。简而言之,当线粒体以多种方式遭受应激时,mtDNA会断裂成碎片,然后与线粒体外膜中的电压依赖性阴离子通道(VDAC)结合。这导致多个VDAC单体聚集在一起并在它们的中间形成一个间孔(meta-pore),mtDNA可以通过该间孔逸出。一旦进入细胞质,各种非特异性传感蛋白,包括针对单链DNA的Toll受体和针对双链DNA的GAS-STING途径,就会触发成熟的I型干扰素(IFN)反应。相关研究结果近期发表在Science期刊上,论文标题为“VDAC oligomers form mitochondrial pores to release mtDNA fragments and promote lupus-like disease”。

    每个VDAC单体本身都包含一个高度调节的通道,该通道可以根据当前的膜电位让不同大小和电荷的关键分子在任一方向上通过。完全消除VDAC功能在高等真核生物中是行不通的。幸运的是,这些研究人员发现,用寡聚化抑制剂VBIT-4仅阻断其中的一种通道形式--- VDAC1---就可消除导致狼疮样症状的免疫激活。

    盘状红斑狼疮(discoid lupus erythematosis)是狼疮的皮肤形式,经常与系统性红斑狼疮相关。作为一种通用治疗策略,仅干扰mtDNA释放可能无法完全清除患者体内的所有AMA。但是,对于狼疮的其他形式(比如狼疮肾炎)而言,这种方法可能更有用,这是因为发现的所有AMA似乎都靶向双链mtDNA。

    其他类型的自身免疫性疾病,比如影响肝脏胆管的自身免疫性疾病,也可能与AMA相关。原发性胆汁性胆管炎和原发性硬化性胆管炎是两种以不同形式的自身抗体为特征的疾病。硬化性胆管炎与抗核抗体(ANA)有关。另一方面,胆管性胆管炎患者具有靶向含有丙酮酸脱氢酶复合物E2亚基硫辛酸酯的AMA。此外,这些患者通常还具有靶向与肝脏线粒体相关的亚硫酸氧化酶和糖原磷酸化酶等酶的抗体。

    在目前情况下,尚不清楚这些特定类型的抗体是如何和在何处产生的。这种具有免疫原性的E2亚基通常与线粒体DNA一起漂浮在线粒体基质内部,不会习惯性地通过任何通道逸出。据推测,因即将死亡的细胞发生线粒体降解而产生的异常片段可能有助于促进自身抗体的形成。

    在试图了解AMA的产生过程中,这些研究人员迄今为止忽略的一个突出问题是mtDNA如何通过线粒体内膜到达外膜VDAC。美国纽约特种外科医院的Peggy Crow指出尽管确切的答案尚不清楚,但是成像研究显示了另一个与VDAC并行作用的孔系统。这些所谓的“BAK/BAX大孔”允许线粒体内膜突出到细胞质中、通透化并转运包括mtDNA在内的基质成分。

    这些研究人员迄今为止尚没有较多地谈及线粒体炎症中的活性氧因素。他们的另一项发现已将VDAC1通道的寡聚化和ROS相关联在一起。更具体地说,他们发现一种称为lipoxstatin-1的分子通过降低VDA1的水平和恢复酶GPX4的水平来保护细胞免受活性氧的损害。

    GPX4是谷胱甘肽过氧化物酶的一种独特的硒利用形式,可特异性保护细胞膜中的脂质免受氧化损伤。当GPX4受损时,整个细胞中都会发生一种独特的凋亡形式,即铁死亡(ferroptosis)。通过阻止VDAC1而不是VDAC2或VDAC3的寡聚化,他们发现liproxstatin-1可以使铁死亡途径短路。

    重要的是,lipoxstatin-1还可以阻断线粒体的收缩、线粒体内嵴的减少和破坏以及导致铁死亡的其他线粒体膜破裂。GPX4缺乏症不是一种自身免疫性疾病,而是一种在极其受限制的细胞群体内发生的以失控的ROS损伤和铁死亡为特征的疾病。这种疾病极为罕见---实际上如此罕见以至于最近刚诊断出的一名患者是世界上唯一患有这种神秘疾病的人。

  • 原文来源:http://news.bioon.com/article/6748909.html
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    • 编译者:hujm
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    • 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。
  • 《Science:新研究揭示尼帕病毒附着糖蛋白的结构和抗原性》

    • 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:2022-03-08
    • 在一项新的研究中,来自美国华盛顿大学等研究机构的研究人员针对尼帕病毒(Nipah virus, NiV)和亨德拉病毒(Hendra virus, HeV)如何攻击宿主细胞以及试图对抗这种攻击的免疫反应提供了新细节。这些结果指明了预防和治疗这些致命疾病的多管齐下的策略。相关研究结果于2022年3月3日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Architecture and antigenicity of the Nipah virus attachment glycoprotein”。 尼帕病毒和亨德拉病毒属于亨德拉尼帕病毒属(henipavirus, HNV),都是由原产于世界某些地区的蝙蝠携带。这些亨德拉尼帕病毒会在物种之间跳跃,并能感染许多其他哺乳动物,包括人类。它们引起脑部炎症和呼吸道症状。感染这些病毒的人有50%至100%的机会死亡。已经有一种疫苗被批准用于马身上,一种改良版的疫苗进入了人体临床试验。 马可以通过唾液和鼻腔分泌物将可能因吃了被蝙蝠污染的水果而感染的亨德拉病毒传播给它们的照料者。一种实验性的、但尚未被批准的、有望对抗尼帕病毒和亨德拉病毒的交叉反应性抗体已被提供给15个有高风险接触的人。这是在紧急同情使用准则下进行的。这种抗体正在澳大利亚进行一项临床试验,它刚刚完成第一阶段的测试。目前还没有获批用于人类的疫苗或药物来对抗这些亨德拉尼帕病毒,除了支持性护理,患者能够克服这类病毒感染的希望是有限的。 在几个月前发现一种新的亨德拉病毒毒株后,设计拯救生命的预防措施和治疗方法的新尝试变得更加紧迫。在过去20年里,孟加拉国几乎每年都会爆发尼帕病毒疫情。在印度和菲律宾也出现了这种疾病。在非洲的人和狐蝠中已经检测到了抗亨德拉尼帕病毒抗体。据估计,世界上有20亿人生活在由蝙蝠或中间动物载体传播的亨德拉尼帕病毒可能构成威胁的地区。 论文通讯作者、华盛顿大学医学院生物化学副教授David Veesler博士研究了蝙蝠对许多危险病毒的免疫力,并对冠状病毒、其他相关病毒和亨德拉尼帕病毒的感染性复合物进行分子结构和功能研究。他的实验室还研究了抗体和病毒的相互作用,为设计这两种病毒的抗病毒药物和疫苗提供了线索。论文第一作者为华盛顿大学生物化学研究生Zhaoqian Wang。 这些作者解释说,尼帕病毒和亨德拉病毒通过协同发挥作用的附着糖蛋白(attachment glycoprotein, G)和融合糖蛋白(fusion glycoprotein, F)进入宿主细胞。这些糖蛋白是抗体防御系统的关键靶标。 通过低温电镜,这些作者能够确定尼帕病毒的感染性复合物的一种关键组成部分在与一种广泛中和抗体的一个片段相互作用时的结构。他们还观察到抗体混合物在一起时能更好地解除尼帕病毒的武装。在一组针对亨德拉病毒的抗体中也观察到了类似的协同效应。这种组合使用的力量也有助于阻止出现逃逸突变体,以避开抗体反应。 对接种了尼帕病毒感染性复合物的一种关键部分的实验室动物的抗体反应进行研究,提供了重要信息。该分析表明病毒受体结合蛋白的哪个区域在激发免疫反应方面起主导作用。 这些作者说,在这项研究之前,关于亨德拉尼帕病毒负责激发抗体反应的一种关键部分(称为HNV G蛋白)的结构,目前尚无任何资料。这种信息的缺乏是理解免疫力和改进候选疫苗设计的一个障碍。 如今,这些作者发现了HNV G蛋白的三维结构和一些构象动态,这可能更接近于构建一种模板来开发新的和改进的疫苗。在对更复杂的发现的简化描述中,HNV G蛋白结构的一个重要部分有一个颈部和四个头部。四个头部中只有一个将它的受体结合点转向潜在宿主细胞的方向;另外三个则转向病毒膜的方向。这使病毒结构可以自由地重新调整头部的方向,以便与宿主受体结合。 这些作者指出,该结构然后“采用了一种独特的两头朝上和两头朝下的构象,与任何其他副黏液病毒附着糖蛋白不同”。副黏液病毒是一个大型的单链RNA病毒家族。它们会导致几种不同类型的疾病,其中大多数是通过呼吸道飞沫传播的。它们包括麻疹、腮腺炎、犬瘟热、副流感和新近从动物传染给人类的亨德拉尼帕病毒疾病。 在研究对尼帕病毒和亨德拉病毒附着糖蛋白的抗体反应的性质时,这些作者探究了用这种糖蛋白免疫的两种动物。强效的、多样化的中和抗体反应随后出现了。他们发现它的头部结构域是免疫诱导的抗体中和的主要(如果不是唯一的)靶标,即便使用了完整的四聚体。这表明这种抗体反应的范围缩小到了受体结合区。 这些作者指出,这些发现“为开发改进稳定性和免疫原性的下一代候选疫苗工程提供了蓝图”。这项新的研究将重点关注头部结构域的脆弱性。他们预计将采用一种类似于较新的计算机工程化SARS-CoV-2和呼吸道合胞病毒候选物所采用的设计方法。头部抗原的嵌合体将以多价、有序阵列的形式呈现给身体。只使用头部结构域而不是完整的附着糖蛋白也可以使大量疫苗的制造变得更加简单。 参考资料: Zhaoqian Wang et al. Architecture and antigenicity of the Nipah virus attachment glycoprotein. Science, 2022, doi:10.1126/science.abm5561.