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游富平/王祥喜合作揭示新型冠状病毒S蛋白直接结合并激活TLR4诱发抗细菌样天然免疫和病毒性脓毒症

日期:2021-03-29  浏览次数:1502

来源:BioArt

新冠肺炎患者死亡率高的原因,一方面是缺乏针对该新型病毒的特效药物,另一方面是该病毒感染会诱发机体产生特异性天然免疫反应,给患者的治疗带来难题。其特异性天然免疫反应包括抗细菌样天然免疫亢进和抗病毒样天然免疫抑制。抗细菌样天然免疫的亢进会造成患者体内的细胞因子风暴,最终导致脓毒症样表型【1】,造成病毒无法有效被清除以及多器官的功能障碍,新冠肺炎死者无一例外会表现出脓毒症的症状【1-4】。而新型冠状病毒感染过程中究竟是如何诱发病毒性脓毒症的呢?

2020年年底,北京大学系统生物医学研究所游富平研究组、中国科学院生物物理研究所王祥喜研究组和中国医学科学院动物所秦川研究组合作,报道了新型冠状病毒感染早期,会导致机体外周循环及感染组织中未成熟中性粒细胞的大量上调。该工作发表于Cell Host & Microbe,揭示了警戒素S100A8/A9在新型冠状病毒引起的抗细菌样天然免疫反应中发挥重要作用。然而,新型冠状病毒感染引起异常天然免疫反应的关键起始因素没有还找到。找到新型冠状病毒感染引起异常天然免疫反应的最根本关键因素,才可以从根源上抑制患者的异常天然免疫,进而对于患者进行针对性治疗。

2021年3月19日,游富平研究组和王祥喜研究组再次合作,在Cell Research发表了题为 SARS-CoV-2 spike protein interacts with and activates TLR4 的研究工作。该研究从分子机制角度解释新型冠状病毒特征天然免疫表型,发现新型冠状病毒冠状蛋白可以直接结合并激活模式识别受体TLR4。

通过已报道的计算机模拟预测研究,新型冠状病毒的冠状蛋白最有可能是被TLRs识别的病原相关分子模式,特别是TLR4【6】,所以研究者假设冠状蛋白可以被TLR4识别。最近一项生物信息预测提示,三聚体形式的冠状蛋白具有很高的生物活性和免疫原性【7】,因此该团队通过293细胞体外纯化了三聚体冠状蛋白(1-1208aa)用于后续研究。研究者通过表面等离子共振(SPR)确定了该形式的冠状蛋白与TLR4的亲和力可以与其他经典的病原相关分子-识别受体的亲和力相媲美。

应用该蛋白刺激不同的人源或鼠源天然免疫细胞系(如THP-1、HL-60、Raw 264.7、BMDM等),成功激活了TLR4下游信号并上调相关炎症因子(如IL-1B和IL-6),证明了不同种属(人和鼠)的TLR4都可以识别新型冠状病毒冠状蛋白并激活下游信号通路。

TLR4是经典的抗细菌天然免疫模式识别受体,其识别革兰氏阴性菌胞壁成分内毒素,进而激活下游信号并介导机体清除细菌。为了比较新型冠状病毒冠状蛋白与内毒素刺激细胞激活天然免疫反应的区别,研究者对二者刺激THP-1细胞的转录组进行比对。差异基因富集分析结果显示,二者对于细胞的转录调控近乎一致,说明新型冠状病毒冠状蛋白刺激可以造成与内毒素刺激一致的抗细菌天然免疫反应。

研究者还通过TLR4通路关键分子的抑制剂(包括TLR4抑制剂瑞沙托维,CD14抗体阻断,MD2抑制剂T5342126,NF-κB抑制剂JSH-23)成功抑制了上述细胞实验中冠状蛋白对于天然免疫的激活,并应用关键分子的敲除Myd88-/- Raw 264.7, Tlr4-/- BMDM, Trif-/- BMDM)同样阻断了冠状蛋白对于天然免疫的激活。上述实验证明对于TLR4通路的阻断可以抑制新型冠状病毒特征天然免疫表型,为新冠肺炎患者的治疗提供了理论依据以及潜在药物靶点。

综上所述,该项研究发现新型冠状病毒冠状蛋白可以结合模式识别受体TLR4,并介导抗细菌样天然免疫反应。此机制揭示了新型冠状病毒是如何欺骗机体,使天然免疫系统认为入侵者是细菌而非病毒,最终造成免疫逃逸的。

北京大学基础医学院系统生物医学研究所游富平研究员和中国科学院生物物理研究所王祥喜研究员为共同通讯作者。


原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41422-021-00495-9

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