王红艳/魏滨合作揭示胆固醇代谢调控先天免疫抗感染的新机制丨CellPress对话科学家
病毒感染能诱导宿主细胞改变胆固醇代谢酶和代谢产物的表达,而且胆固醇代谢也能调控宿主细胞抗病毒反应。近期国际前沿的工作指出靶向个别关键胆固醇代谢酶、代谢产物能提高抗病毒感染的功能【1】【2】【3】。
近日,中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所,简称“分子细胞中心”)王红艳研究组与上海大学(原中科院武汉病毒所)魏滨实验室合作,筛选并发现敲除或抑制7-脱氢胆固醇还原酶(DHCR7)或者添加天然胆固醇代谢产物7-脱氢胆固醇(7-DHC)能促进转录因子IRF3活化,增强一型干扰素(如IFNβ)产生,进而增强巨噬细胞或小鼠清除多种病毒的感染,包括寨卡病毒(ZIKV)、流感病毒(H1N1)、疱疹病毒(HSV)等。该研究为抵抗新发或高致病性病毒的感染提供了新型药物靶点。该成果于12月24日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Immunity上在线发表,并已经申请相关专利。
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此前的研究发现敲除胆固醇合成酶SREBP2,或者增加胆固醇-25-羟化酶(Ch25h)和产物25-羟基胆固醇(25-HC),能阻止病毒感染。为找到提高机体抗病毒感染的其他胆固醇代谢酶或相应的天然产物,研究团队利用乙肝病毒感染肝癌、多种类型病毒感染的小鼠肝组织或巨噬细胞进行筛选。不论应对DNA病毒、RNA病毒,甚至细菌感染等,DHCR7的表达量显著降低。DHCR7是将7-脱氢胆固醇(7-DHC)转化成胆固醇的关键酶,DHCR7突变的病人表现智力发育障碍,但是并不清楚DHCR7如何调控机体先天免疫抗病毒感染的功能。
研究团队构建条件性敲除DHCR7的小鼠、敲减DHCR7的巨噬细胞、利用小分子抑制剂阻断DHCR7的酶活,都显著增强病毒感染介导的IFNβ产生。并且,病毒感染的肝脏组织、DHCR7缺失或其抑制子处理的巨噬细胞中都升高7-DHC含量,而且外加天然产物7-DHC也能促进巨噬细胞抗感染的功能。有意思的是,用于治疗乳腺癌的化疗药物他莫昔芬(Tamoxifen)曾被FDA批准能抑制DHCR7酶活,我们发现他莫昔芬具有抑制病毒VSV和ZIKV感染的新功能,提示老药新用的可能。利用DHCR7抑制剂AY9944处理小鼠,血清中7-DHC含量显著升高,明显保护小鼠抵抗致死剂量VSV和H1N1病毒的感染。研究团队揭示胆固醇中间代谢产物7-DHC,或者靶向DHCR7的抑制剂能发挥抵御多种病毒感染的功能,这将有助于开发抵御新发或重症病毒感染的新策略。
当外星体入侵地球时,地球表层的预警中心(7-DHC)发射急救信号(AKT3)到达地心指挥部(IRF3),使得地球卫士(IFNβ)大量并迅速集合,运输到宇宙中抵抗外星体。
更进一步的机制探索发现:静息期的巨噬细胞表达很低水平的AKT3,病毒感染促进AKT3的表达,而代谢产物7-DHC能促进PI3K-AKT3的活化。此外,作为蛋白激酶的AKT3与IRF3的直接相互作用,增强IRF3在丝氨酸385位的磷酸化,进而促进IRF3二聚体形成和向细胞核内转移,最终增强IFNβ产生。敲除AKT3的小鼠显著降低IFNβ的产生,明显升高病毒载量,导致更多小鼠死亡。综述所述,这项研究揭示一种胆固醇代谢产物如何通过影响先天免疫的信号传导通路,提高抗病毒反应的新机制。
Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者王红艳研究员进行了专访,请她为大家进一步详细解读。
作者专访
Cell Press:该成果对于人类抗击寨卡病毒(ZIKV)、流感病毒(H1N1)、疱疹病毒(HSV)感染将产生哪些影响?
王红艳研究员:近些年来寨卡病毒和流感病毒等感染对人类健康和社会经济都造成很大负担,一旦病毒感染,如果不能得到及时有效控制,可能会引起死亡及遗留后遗症。此外,一些病毒的感染与肿瘤的发生发展有关,如乙肝病毒感染与肝癌,HPV感染与子宫颈癌等。为了有效抵御这些病毒感染,及时阻断感染导致的各种相关疾病,亟需有效的药物或疫苗来治疗或预防这些病毒感染。机体的天然免疫系统是及时清除病毒感染的重要免疫监视防线,其中巨噬细胞发挥不可或缺的功能。我们发现靶向巨噬细胞的一种胆固醇代谢酶DHCR7(7-脱氢胆固醇还原酶),或者添加天然的胆固醇中间代谢产物7-DHC(7-脱氢胆固醇)能有效提高巨噬细胞产生I型干扰素如IFNβ的能力,提高机体抵抗多种病毒感染的功能,包括水疱性口炎病毒(VSV)、I型单纯疱疹病毒(HSV-1)、甲型流感病毒(H1N1)。我们也在寨卡病毒(ZIKV)感染的A549细胞系,观察到一定的抗病毒复制。我们期望这项研究能有助于开发抵御病毒感染的新策略。另外,一种用于治疗乳腺癌的化疗药物他莫昔芬(Tamoxifen)也被FDA批准能抑制DHCR7的酶活。我们发现他莫昔芬也能提高巨噬细胞抑制病毒感染的功能,期望今后结合临床数据和大量的动物体内实验,研究他莫昔芬是否具有抗病毒感染的新应用。
Cell Press:您的团队为此研究运用了什么创新的技术?
王红艳研究员:我们利用基因芯片技术,筛选病人肝癌组织、VSV感染小鼠肝组织、巨噬细胞这三种样本,找到胆固醇代谢酶DHCR7在病毒感染的肝脏组织和巨噬细胞中都能显著下调。利用液相色谱-质谱联用技术(LC-MS)鉴定病毒感染的肝脏组织或巨噬细胞中的胆固醇代谢产物7-DHC。通过CRISPR/Cas9构建了Dhcr7敲除的巨噬细胞细胞系和条件性敲除小鼠(南京集萃公司),为探索分子机制和体内抗病毒功能,提供重要的实验体系。
Cell Press:研究过程中是否遇到困难?是如何攻克的?
王红艳研究员:这项工作紧密围绕胆固醇代谢调控巨噬细胞抗病毒感染开展,涉及到多个学科的交叉合作。如果仅仅依靠我们自己的实验条件很难全部完成。检测胆固醇代谢物的种类和水平是我们课题组面临的技术挑战。因为有些胆固醇代谢物的丰度低,有些产物发生氧化等不稳定,感谢中国科学院上海营养与健康研究所翟琦巍研究员的帮助,在液相色谱-质谱联用技术(LC-MS)上优化了诸多条件,完成了对胆固醇中间代谢产物7-DHC的鉴定。非常感谢上海大学的魏滨教授(原中科院武汉病毒所的研究员)以及中国农科院哈尔滨兽医研究所的陈化兰院士的大力合作,为我们提供相应的病毒毒株或实验平台,并帮助完成部分病毒感染的工作。在分子机制研究方面,我们发现AKT3发挥关键作用,感谢南京大学模式动物研究所杨中州研究员提供AKT3基因敲除的小鼠,使我们完成体内抗病毒能力的验证。
Cell Press:基于此项研究的发现,后续研究还有哪些工作将要进行?您的团队下一步的研究方向如何?
王红艳研究员:目前的研究只是一个起点,仍然有许多问题需要进一步探索。例如在推进DHCR7抑制剂能否有效成为新药靶点的转化型研究中,我们要考虑DHCR7抑制剂进入机体后,对多种细胞的功能的影响。比如肝作为胆固醇合成的重要器官,DHCR7如何调控肝细胞的功能、肝中定居巨噬细胞即枯否氏细胞的功能。此外,除巨噬细胞发挥抗病毒感染的功能,CD8+ T细胞也在免疫监视中发挥重要作用。DHCR7如何调控CD8+ T细胞清除病原微生物或肿瘤的功能?这类关键的问题都需要进一步解析,也是我们正在开展的工作。
此外,在基础科研方面,我们筛选的结果提示多种胆固醇代谢酶均出现异常表达,这促使我们持续关注和探索其他关键酶和相关代谢产物的免疫调控功能,尤其在影响巨噬细胞或CD8+ T细胞功能及其抗感染抗肿瘤中的机制。
Cell Press:请您以学者的身份,谈一谈对年轻科研人员的建议。
王红艳研究员:我的建议主要有以下三点:
生命科学研究是发现和提出问题,然后解决问题的过程。不仅需要严谨的逻辑思维,更需要动手实验,广泛查阅科研背景知识,包括新技术的学习和跨学科的交流等等。这些因素注定一旦选择科研工作,需要我们投入大量的时间和精力。在建立扎实的实验体系和知识的基础上,持续保持工作的创新性也是一大挑战。所以科研工作真切符合中国的一句老话:“活到老,学到老”。因此,首先希望年轻科研人员能够保持初心,具有坚韧的品质。相信很多年轻学者一开始都是满怀热忱,一心扑到科研工作中,但科研是一个漫长的过程,其中会经历许多挫折和失败,只有坚持初心,坚持攻关,才可能有开花结果的那一刻。
注重团队成员协作、交叉学科的合作。生命科学研究发展飞快,目前的科研项目很少有一两个人能完成的。因此,团队内部人员的协作、不同实验室之间的交叉合作越来越重要。这包括技术上和实验资源上的共享、学术观点或建议上的充分透明化的讨论。找到志同道合、并肩工作的合作者,将极大推动项目的进展。从这方面理解的话,相互信任是最低的劳动成本,同样适用于科研工作。
始终以一位严谨的科学家的标准要求自我,保持科学道德素养。在面对各种压力下切忌急功近利,坚守诚信,严于律己,让自己的工作不仅仅具有创新性,还需要别人能验证的可重复性。这类工作才能深入做大做强,树立自己的科研标签或niche。
本文参考文献:
1. York, A.G., Williams, K.J., Argus, J.P., Zhou, Q.D., Brar, G., Vergnes, L., Gray, E.E., Zhen, A., Wu, N.C., Yamada, D.H., et al. (2015). Limiting Cholesterol Biosynthetic Flux Spontaneously Engages Type I IFN Signaling. Cell 163, 1716-1729.
2. Blanc, M., Hsieh, W.Y., Robertson, K.A., Kropp, K.A., Forster, T., Shui, G., Lacaze, P., Watterson, S., Griffiths, S.J., Spann, N.J., et al. (2013). The transcription factor STAT-1 couples macrophage synthesis of 25-hydroxycholesterol to the interferon antiviral response. Immunity 38, 106-118.
3. Li, C., Deng, Y.Q., Wang, S., Ma, F., Aliyari, R., Huang, X.Y., Zhang, N.N., Watanabe, M., Dong, H.L., Liu, P., et al. (2017). 25-Hydroxycholesterol Protects Host against Zika Virus Infection and Its Associated Microcephaly in a Mouse Model. Immunity 46, 446-456.
论文通讯作者介绍
关于 王红艳 研究员
研究员,研究组长,博士生导师。1993-1998 年安徽医科大学临床医学系本科;1998-2001 年安徽医科大学免疫系和中国预防医学科学院病毒所基因工程国家重点实验室联合培养硕士;2001-2006 英国伦敦帝国理工学院(Imperial College London)博士及Research Associate;2006-2010 英国剑桥大学Research Fellow;2010年3月任生化与细胞所研究员,研究组长;2011年入选中国科学院百人计划及上海市浦江人才计划。2014年获国家基金委优秀青年资助。2018年获国家自然基金委杰出青年资助。2015年获中国科学院优秀指导老师称号。
研究组成员
相关论文信息
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论文标题:
Targeting 7-Dehydrocholesterol Reductase Integrates Cholesterol Metabolism and IRF3 Activation to Eliminate Infection
论文网址:
https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(19)30496-0
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.immuni.2019.11.015
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