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上海市免疫学研究所梁启明团队Cell Stem Cell发文揭示寨卡病毒C蛋白与Dicer酶相互作用并最终导致小头畸形的病理机制
2020-08-07 10:10:00
2020年8月6日，上海交通大学医学院/上海市免疫学研究所梁启明课题组联合美国南加州大学医学院赵振课题组在Cell Stem Cell杂志在线发表了题为The Zika Virus Capsid Disrupts Corticogenesis by Suppressing Dicer Activity and miRNA Biogenesis的文章。该研究表明，寨卡病毒C蛋白（Capsid protein）能够和Dicer酶相互作用从而抑制Dicer的miRNA的加工活性，尤其是抑制了一些神经发育相关的miRNA的产生，最终抑制神经发生并导致小头畸形。
寨卡病毒是一种属于黄病毒属的虫媒传播病毒。早在1947年，就已经从一只来自非洲乌干达的寨卡森林中的有发热症状的恒河猴体内被首次分离得到，因此得名“寨卡”。在过去的70多年中极少有与之相关的研究被发表，原因在于它只会引起发热、关节痛、结膜炎、皮疹等轻微症状，且症状很快消失。然而在2015-2016年，寨卡病毒突然在巴西、美国、东南亚地区爆发，很快扩散至全球61个国家和地区，并与胎儿流产，新生儿小头畸形、格兰-巴雷综合征等病例的快速增加密切相关。2016年初，世界卫生组织将寨卡病毒列为全球公共卫生紧急事件，从而极大加快了全球对寨卡病毒研究的步伐，在短时间内就建立了多种小鼠和非人灵长类动物的寨卡感染疾病模型，并且被应用到寨卡病毒的诊断，治疗以及相关疫苗的临床前评价中。然而，到目前为止，寨卡病毒导致新生儿小头病的致病机理仍不清楚，与之相关的分子机制，尤其是感染神经系统的机制的研究非常有限，严重影响了抗病毒靶向药物的研发。
RNA干扰(RNAi)是由小分子双链RNA引发的转录后基因沉默过程，正常细胞自身的RNA干扰调控对于细胞分化、发育等都发挥着非常重要的作用。细胞核内转录产生的初始miRNA（pri-miRNA）被Drosha加工成miRNA前体（pre-miRNA）后，由转运蛋白Exportin-5转运进入细胞质。胞质中的核酸内切酶 Dicer会将这些miRNA前体切割成多个具有特定长度(约21~23 bp)和结构的小片段双链RNA，即成熟的miRNA。miRNA一条链与含有Ago2的蛋白复合物结合形成RNA诱导的沉默复合物(RNA-induced silencing complex，RISC)。RISC和与miRNA具有同源区的mRNA序列进行特异性结合，在结合部位切割mRNA，引起转录后调控（图1）。最近有研究表明，神经细胞中Dicer酶缺陷会引起神经发育的退化.
在本研究中，研究人员通过绘制寨卡病毒蛋白与宿主神经干细胞蛋白质组相互作用网络（图2），筛选出寨卡病毒C蛋白可以与核酸内切酶 Dicer特异性的相互作用，而其他一些典型的黄病毒属病毒如登革热病毒（DENV）、日本脑炎病毒（JEV）、西尼罗病毒（WNV）等的C蛋白都不具备这种相互作用特征，这极有可能是寨卡病毒区别于其他黄病毒属病毒，能引起神经退行性疾病的原因之一。这种特异的相互作用能够抑制Dicer对miRNA的加工活性，使成熟miRNA，尤其是一些与神经发育相关的miRNA（let-7a、miR-9、miR-17等）的合成受阻。
研究人员通过对寨卡病毒和其他典型黄病毒属病毒C蛋白氨基酸序列比对，发现其第41位的单点氨基酸突变（H41R）使C蛋白丧失了与Dicer的互作，并且不再抑制Dicer的加工切割活性。接着通过病毒反向遗传学产生出寨卡野生型以及C蛋白具有H41R突变的活病毒，通过子宫微注射的方式将二者感染进胚胎期13.5天（E13.5）的胎鼠大脑（图3），并在E18.5时通过对胎鼠大脑大小的测量以及各脑层的染色发现，较于突变病毒，野生型病毒会导致更小的胎鼠大脑以及更薄的大脑皮层，说明寨卡病毒C蛋白对Dicer的抑制确实能够引起神经发育缺陷。此外，为了证实在活体水平上寨卡病毒C蛋白自身是否足以引起神经发育缺陷，研究人员利用AAV基因传递系统，将寨卡病毒C蛋白及其突变分别以AAV病毒的形式微注射入胎鼠大脑，发现寨卡病毒C蛋白自身足以引起神经发育缺陷。
综上所述：寨卡病毒C蛋白能够和Dicer酶相互作用从而抑制Dicer的miRNA的加工活性，尤其是抑制了一些神经发育相关的miRNA的产生，最终抑制神经发生并导致小头畸形（图4）。该研究为了解寨卡病毒的独特致病机制提供了一部分理论依据。
梁启明研究员2016年加入上海交通大学医学院/上海市免疫学研究所，课题组聚焦于新发病毒的免疫逃逸机制和致病机理。课题组受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市教委、科委、卫健委、以及上海市免疫学研究所的资助，并得到上海交通大学基础医学院和上海市儿童医院基础-临床创新研究中心的支持。同时，该研究还获得了上海交通大学医学院张健教授、上海巴斯德研究所龙钢研究员、Tulane大学Shitao Li教授、武汉大学付碧石教授和浙江工商大学郦萍教授的支持帮助。
文章链接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(20)30350-7
寨卡病毒是一种属于黄病毒属的虫媒传播病毒。早在1947年，就已经从一只来自非洲乌干达的寨卡森林中的有发热症状的恒河猴体内被首次分离得到，因此得名“寨卡”。在过去的70多年中极少有与之相关的研究被发表，原因在于它只会引起发热、关节痛、结膜炎、皮疹等轻微症状，且症状很快消失。然而在2015-2016年，寨卡病毒突然在巴西、美国、东南亚地区爆发，很快扩散至全球61个国家和地区，并与胎儿流产，新生儿小头畸形、格兰-巴雷综合征等病例的快速增加密切相关。2016年初，世界卫生组织将寨卡病毒列为全球公共卫生紧急事件，从而极大加快了全球对寨卡病毒研究的步伐，在短时间内就建立了多种小鼠和非人灵长类动物的寨卡感染疾病模型，并且被应用到寨卡病毒的诊断，治疗以及相关疫苗的临床前评价中。然而，到目前为止，寨卡病毒导致新生儿小头病的致病机理仍不清楚，与之相关的分子机制，尤其是感染神经系统的机制的研究非常有限，严重影响了抗病毒靶向药物的研发。
RNA干扰(RNAi)是由小分子双链RNA引发的转录后基因沉默过程，正常细胞自身的RNA干扰调控对于细胞分化、发育等都发挥着非常重要的作用。细胞核内转录产生的初始miRNA（pri-miRNA）被Drosha加工成miRNA前体（pre-miRNA）后，由转运蛋白Exportin-5转运进入细胞质。胞质中的核酸内切酶 Dicer会将这些miRNA前体切割成多个具有特定长度(约21~23 bp)和结构的小片段双链RNA，即成熟的miRNA。miRNA一条链与含有Ago2的蛋白复合物结合形成RNA诱导的沉默复合物(RNA-induced silencing complex，RISC)。RISC和与miRNA具有同源区的mRNA序列进行特异性结合，在结合部位切割mRNA，引起转录后调控（图1）。最近有研究表明，神经细胞中Dicer酶缺陷会引起神经发育的退化.
图1：RNA干扰系统的实现过程
在本研究中，研究人员通过绘制寨卡病毒蛋白与宿主神经干细胞蛋白质组相互作用网络（图2），筛选出寨卡病毒C蛋白可以与核酸内切酶 Dicer特异性的相互作用，而其他一些典型的黄病毒属病毒如登革热病毒（DENV）、日本脑炎病毒（JEV）、西尼罗病毒（WNV）等的C蛋白都不具备这种相互作用特征，这极有可能是寨卡病毒区别于其他黄病毒属病毒，能引起神经退行性疾病的原因之一。这种特异的相互作用能够抑制Dicer对miRNA的加工活性，使成熟miRNA，尤其是一些与神经发育相关的miRNA（let-7a、miR-9、miR-17等）的合成受阻。
图2：寨卡病毒蛋白与宿主神经干细胞蛋白质组相互作用网络
研究人员通过对寨卡病毒和其他典型黄病毒属病毒C蛋白氨基酸序列比对，发现其第41位的单点氨基酸突变（H41R）使C蛋白丧失了与Dicer的互作，并且不再抑制Dicer的加工切割活性。接着通过病毒反向遗传学产生出寨卡野生型以及C蛋白具有H41R突变的活病毒，通过子宫微注射的方式将二者感染进胚胎期13.5天（E13.5）的胎鼠大脑（图3），并在E18.5时通过对胎鼠大脑大小的测量以及各脑层的染色发现，较于突变病毒，野生型病毒会导致更小的胎鼠大脑以及更薄的大脑皮层，说明寨卡病毒C蛋白对Dicer的抑制确实能够引起神经发育缺陷。此外，为了证实在活体水平上寨卡病毒C蛋白自身是否足以引起神经发育缺陷，研究人员利用AAV基因传递系统，将寨卡病毒C蛋白及其突变分别以AAV病毒的形式微注射入胎鼠大脑，发现寨卡病毒C蛋白自身足以引起神经发育缺陷。
图3：胎鼠大脑微注射示意图
综上所述：寨卡病毒C蛋白能够和Dicer酶相互作用从而抑制Dicer的miRNA的加工活性，尤其是抑制了一些神经发育相关的miRNA的产生，最终抑制神经发生并导致小头畸形（图4）。该研究为了解寨卡病毒的独特致病机制提供了一部分理论依据。
图4：寨卡病毒C蛋白抑制Dicer加工活性，抑制RNA干扰系统并最终导致小头畸形示意图
梁启明研究员2016年加入上海交通大学医学院/上海市免疫学研究所，课题组聚焦于新发病毒的免疫逃逸机制和致病机理。课题组受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市教委、科委、卫健委、以及上海市免疫学研究所的资助，并得到上海交通大学基础医学院和上海市儿童医院基础-临床创新研究中心的支持。同时，该研究还获得了上海交通大学医学院张健教授、上海巴斯德研究所龙钢研究员、Tulane大学Shitao Li教授、武汉大学付碧石教授和浙江工商大学郦萍教授的支持帮助。
文章链接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(20)30350-7