厉害!曹雪涛应邀撰写新冠病毒感染易发炎症反应的评论

2021-10-22 09:05:23 iNature前沿

2021年10月21日,《自然》杂志子刊《自然免疫学》(Nature Immunology )发表了中国工程院院士、南开大学曹雪涛应邀撰写的评述。针对同期杂志发表的来自英国牛津大学科学家有关新冠病毒感染触发巨噬细胞大量分泌炎症细胞因子的研究论文,结合免疫炎症调控领域的国际研究进展,曹雪涛在该评述中对于新冠病毒感染为什么比一般病毒感染更容易诱发机体发生炎症损害反应的细胞与分子机制进行了解释,为预防干预或者治疗性阻断新冠病毒肺炎患者病情发展提出了新的潜在靶标与建议。

众所周知,机体一旦遭受病毒感染就可以诱导产生干扰素以发挥抗病毒效应。干扰素之所以能够发挥抗病毒效应是因为可以激发细胞表达数百种干扰素诱导的基因(ISG),产生的ISG蛋白分子发挥抗病毒的机制多种多样。其中,干扰素刺激基因15 (ISG15) 作用独特,ISG15蛋白分子作为泛素样蛋白可以共价结合其靶分子,这种ISG化(ISGylation)有利于机体抗病毒御。

在新一期Nature Immunology 中,英国牛津大学Sanyal教授联合香港大学李嘉诚医学院公共卫生学院和比利时VIB-UGent医学生物技术中心的学者联合报道了SARS-CoV-2病毒可通过其编码的木瓜样蛋白酶(Papain-like protease,PLpro)介导抗病毒蛋白去ISG化,从而诱导人巨噬细胞分泌ISG15,而细胞外非偶联的ISG15可发挥细胞因子样作用,反馈性地刺激巨噬细胞,加剧SARS-CoV-2引发巨噬细胞释放大量炎症细胞因子、诱导炎症损害。Nature Immunology 邀请曹雪涛院士在同一期杂志上对该论文的特点与意义进行了评述。

COVID-19的严重程度和死亡率与病毒免疫逃避和触发过度炎症及细胞因子风暴相关。一些能够阻断促炎细胞因子的产生及功能的免疫治疗策略经临床验证能够一定程度控制COVID-19病程。激活天然免疫应答对于有效清除入侵的病毒是必需的,但其异常的激活及促炎细胞因子的过度产生可能会引起宿主自身组织损伤。COVID-19的免疫病理特征之一是天然免疫反应不平衡,表现为I型干扰素应答反应弱但促炎细胞因子释放显著(包括IL-1β、IL-6和TNFα等与趋化因子的混合物,包括CCL2、CCL3和CXCL8)。基于对SARS-CoV-2编码蛋白的逃逸机制的研究,目前对于I型干扰素的产生以及I型干扰素所诱导的抗病毒效应异常有一定的解释,然而,对于感染SARS-CoV-2后为何促炎细胞因子产生显著增加进而诱导更严重炎症损害仍然知之甚少。

该论文发现SARS-CoV-2感染人巨噬细胞后可以通过SARS-CoV-2编码的木瓜样蛋白酶PLpro诱导胞内ISG15释放至细胞外,细胞外游离的ISG15以类似细胞因子的作用方式继续放大多种促炎细胞因子和趋化因子的表达,这是导致COVID-19患者的过度炎症反应的可能原因之一。Sanyal团队的发现不仅为SARS-CoV-2引发的过度炎症提供了相关免疫病理机制,也提示了阻断病毒PLpro活性或者中和细胞外ISG15可作为针对COVID-19危重症与“炎症风暴”的潜在治疗策略。曹雪涛绘制了图1对于此工作进行了归纳总结。

图1:分泌型ISG15反馈刺激巨噬细胞放大SARS-CoV-2感染引发的炎症反应。在病毒感染免疫应答中,宿主细胞启动天然免疫信号通路,诱导IFN-I和促炎细胞因子的表达。IFN-I信号诱导数百个ISG,包括ISG15,以激活抗病毒天然免疫反应。ISG15共价结合到细胞内靶蛋白,这一过程被称为ISG化,有助于防御病毒。SARS-CoV-2感染诱导了微弱的IFN-I反应和严重的促炎细胞因子(包括IL-6和IL-1β)和趋化因子包括CCL2。SARS-CoV-2可以促使巨噬细胞优先通过其PLpro(作为一种去ISG化酶)分泌ISG15,反过来分泌到细胞外游离的ISG15作为细胞因子进一步促进巨噬细胞促炎细胞因子和趋化因子的产生,从而加剧SARS-CoV-2引发的炎症,并可能导致细胞因子风暴。

在病毒RNA被识别后,RNA感受器如RIG-I和MDA-5能够激活激酶TBK1和IKKε启动下游天然免疫信号传导,活化转录因子IRF3和IRF7,表达IFN-I及促炎细胞因子。IFN-I分子激活JAK-STAT通路,诱导数百个ISG基因表达,其中包括ISG15,直接或间接发挥抗病毒天然免疫效应。RIG-1和(或)MDA5被认为是潜在的SARS-CoV-2感受器,以及SARS-CoV-2可以通过破坏ISG15依赖的MDA5活化来逃逸抗病毒天然反应。结合之前有关细胞外游离ISG15可作为细胞因子诱导炎症的报道,该论文发现提出了“第二波”(Second wave)促炎模式,即SARS-CoV-2介导的细胞外ISG15释放再一次促进和放大了炎症反应。

ISG15是一种15kDa的泛素样蛋白,可共价结合于其他蛋白分子上,参与防御多种病毒病原体感染。ISG15的共价结合,通常被称为ISG化,是一个三步的酶级联反应:E1酶UBE1L(也称为UBA7),E2酶UBCH8(也称为UBE2L6)和主要的E3酶HERC5,而宿主自身编码的USP18(也称为UBP43)介导去ISG化过程。ISG15抗病毒作用主要依赖于ISG15对各种病毒蛋白的直接ISG化,从而抑制病毒复制及打断病毒生命周期。ISG15在抗病毒应答中的作用存在争议,例如有报道表明ISG15是小鼠而非人抗病毒应答中的重要效应分子,ISG15缺陷的患者甚至表现出增强的I型IFN反应特征,可能是由于USP18 (IFNAR信号的负调控因子)的稳定性降低。

在宿主细胞中,ISG15以三种形式存在:ISG化蛋白中连接的ISG15,细胞内游离的ISG15,分泌到细胞外的ISG15。MDA5的ISG化触发了先天免疫的激活,IRF3的ISG化维持了其稳定性,而STAT1的ISG化维持了其磷酸化和激活。ISG15在人细胞中非共价结合USP18,抑制其降解。细胞内ISG15结合泛素结合蛋白p62,以及组蛋白去乙酰化酶HDAC6和RIG-I来调控二者的自噬清除。当作为一个细胞外游离因子,ISG15已经被证实具有类似细胞因子的功能,其通过与细胞表面整合素受体CD11a-CD18结合后介导信号传导。这些发现证明ISG15在天然免疫中和炎症反应中的多种功能取决于其具体的定位及结合的靶蛋白。

进一步研究发现,SARS-CoV-2感染诱导人类外周血单核细胞来源的巨噬细胞表达ISG化相关酶类,包括ISG15、UBE1L、UBCH8和HERC5,以及USP18。然而,SARS-CoV-2感染并不能增强胞内蛋白的ISG化,反而促进了ISG15的胞外释放。这一现象并不是由IFN-I信号引起的,而是由活病毒感染引发的。巨噬细胞大量释放ISG15是选择性地由SARS-CoV-2所触发,而寨卡病毒、流感病毒感染却不能引发这一现象。ISG15的释放以一种自噬依赖的方式和一种非经典的分泌机制介导。这些发现与之前的报道一致,即ISG化修饰酶系统是由IFN-I诱导的,而病原体感染诱导ISG15释放。细胞内ISG化可能是一种炎性因子(如IL-1β、CCL2和IL-6)分泌的抑制因子,因为Sanyal等发现,巨噬细胞敲除ISG15、UBE1L和HERC5基因后,感染SARS-CoV-2细胞中炎症细胞因子的产生显著降低。因此,作者提出,巨噬细胞中游离ISG15与ISG15化的高比值可能与M1型促炎巨噬细胞的极化相关,并可作为SARS-CoV-2介导炎症严重程度的指标。作者进一步对ISG15敲除或敲减细胞的胞内ISG化蛋白和分泌组进行定量蛋白质组学分析发现,在ISGylome蛋白谱中,一些之前被报道过的ISG15的靶标蛋白,如RIG-I、STAT1-3、UBE1L、UBCH8和HERC5等的表达,在ISG15敲除细胞中明显下调。作者通过重组ISG15刺激ISG15敲减细胞释放炎症细胞因子,证实了分泌型ISG15的炎症放大作用。

尽管作者观察到COVID-19发病1周后患者血清中ISG15升高,但SARS-CoV-2感染巨噬细胞分泌ISG15的临床意义尚不确定。有必要在更大的队列中进一步分析血清ISG15水平与其他炎症细胞因子、COVID-19不同阶段的临床表现和病理过程的相关性,以证实其意义。进一步利用重组ISG15的研究可能有助于了解组织驻留和迁移的巨噬细胞中,受细胞外ISG15影响的分泌组以及ISG15触发的分泌的机制。

该研究另一个令人兴奋的结果是证实了SARS-CoV-2编码的PLpro作为去ISG化酶介导免疫逃逸和调控炎症因子的产生。PLpro是由SARS-CoV-2基因组编码的非结构蛋白之一,该基因组作为一种酶,可以切割蛋白质或从修饰蛋白中去除泛素或ISG15。PLpro对于病毒多聚蛋白的高效切割是不可或缺的,这一过程对病毒基因组的转录和复制至关重要。SARS-CoV-2的PLpro可以酶促降低MDA5和IRF3的ISG化,从而抑制抗病毒先天反应。研究发现,具有催化活性的PLpro促进了SARS-CoV-2感染细胞中促炎细胞因子产生和ISG15的释放,提示PLpro可以作为一个潜在的靶点,逆转被破坏的抗病毒天然反应并减轻加剧的炎症风暴。未来的工作可能会集中于解决PLpro或ISG15如何影响自噬相关的分泌途径,这是一种选择性阻断SARS-CoV-2感染诱导游离ISG15释放的途径,以及探究PLpro抑制剂对SARS-CoV-2诱导的炎症细胞因子风暴和肺损伤的影响。

该研究揭示了细胞外ISG15在放大SARS-CoV-2诱导的炎症中的重要作用,并提出PLpro可作为逆转病毒逃逸和对抗SARS-CoV-2诱导炎症的治疗策略的一个关键靶点。游离ISG15的中和是否可以在临床上实现,又是否适用于对其他病毒诱导的炎症疾病的控制是值得进一步探索的科学问题。

参考消息:

https://www.nature.com/articles/s41590-021-01056-3

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