Sci Immunol. | 劉德培院士團隊報道Schlafen-11是細胞內單鏈DNA的模式識別受體

  • 2024-06-16 23:59
  • 病毒學界

天然免疫系統依賴於模式識別受體（pattern-recognition receptors, PRRs）來識別病原微生物的感染，從而啓動炎症反應和細胞死亡等天然免疫反應。託樣受體（Toll-like receptors, TLRs）是最早被鑑定出的一類模式識別受體，相關研究獲得了2011年的諾貝爾生理與醫學獎。然而，TLRs作爲膜蛋白，定位於細胞膜和內體膜上，只負責識別細胞外的病原微生物，無法識別已經入侵到細胞漿和細胞核的病原微生物。因此，過去20年裏，科學家們相繼鑑定出一系列細胞內的模式識別受體，其中包括陳志堅組鑑定的雙鏈DNA受體cGAS和邵峯組鑑定的LPS受體Caspase-4/5/11。這些研究不但填補了相關模式識別受體的空白，也打破了人們對模式識別受體工作模式的傳統認知。

核酸是模式識別受體識別的最主要的一類病原相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns, PAMPs），因爲幾乎所有的病原微生物都以核酸作爲遺傳物質。在人體內10個託樣受體家族成員中，有4個是負責識別核酸的。在細胞內，也存在多種模式識別受體來識別各種核酸結構，包括單鏈RNA、雙鏈RNA和雙鏈DNA。但細胞內單鏈DNA的模式識別受體多年來仍然是空白的。

細胞內單鏈DNA模式識別受體遲遲沒有被發現的原因主要有兩個：首先，單鏈DNA病毒感染導致的免疫反應相對較弱，也沒有在人羣中引起過廣泛的疫情，因此沒有得到學界足夠的關注；其次，有些免疫學家嘗試導入到細胞內一些特定序列的單鏈DNA後，並沒有觀察到明顯的天然免疫反應。直到2023年，Nature連發三篇文章報道全球多地爆發的不明原因兒童肝炎可能與腺相關病毒2（AAV2）的感染有關。由於AAV2是一種典型的單鏈DNA病毒，所以單鏈DNA的天然免疫識別問題受到了一定程度的關注。

2024年6月14日，來自中國醫學科學院基礎醫學研究所生物化學與分子生物學系/重大疾病共性機制研究全國重點實驗室的劉德培團隊在Science Immunology上發表了題爲：Schlafen 11 triggers innate immune responses through its ribonuclease activity upon detection of single-stranded DNA的研究論文，揭示了細胞內單鏈DNA可以作爲一種病原相關分子模式激活天然免疫反應，並且鑑定出其模式識別受體爲Schlafen-11。



以往的研究大多是導入特定序列的單鏈DNA，可能會忽略序列特異性的問題。基於前車之鑑，研究人員首先把細菌的基因組單鏈DNA導入了細胞內，觀察到了明顯的細胞因子表達和細胞死亡。同時，用羥基脲誘導內源單鏈DNA的累積也可以觀察到細胞因子的表達上調。提示細胞內的單鏈DNA具有天然免疫刺激能力。爲了進一步找到單鏈DNA刺激免疫反應的分子模式，研究人員構建了短的單鏈DNA文庫，並篩選到了14條高激活能力的單鏈DNA。通過對這些高激活單鏈DNA的序列分析和驗證，研究人員發現，CGT核心基序決定了單鏈DNA免疫刺激能力的強弱。重要的是，這類CGT核心基序在細菌和AAV2基因組中存在的比例很高，這也解釋了爲什麼這類單鏈DNA會刺激起很強地天然免疫反應。

基於篩選到的單鏈DNA分子模式，研究人員建立了一套全基因組的CRISPR-Cas9篩選系統，並篩選到了Schlafen-11 (SLFN11) 可能是細胞內單鏈DNA的模式識別受體。隨後，通過一系列的細胞和生化實驗，研究人員發現SLFN11可以通過C端結構域直接與含有CGT核心基序的單鏈DNA結合。結合後的SLFN11從細胞核轉位到細胞漿，通過N端RNase結構域切割2型tRNA，從而激活細胞因子表達並誘導了細胞死亡。由於小鼠沒有SLFN11，爲了驗證單鏈DNA模式識別受體在體內的功能，研究人員鑑定到出Slfn9是鼠源的單鏈DNA模式識別受體，並構建了Slfn9的敲除小鼠。研究人員用單鏈DNA在小鼠體內完全復現了臨牀上發現的與AAV2關聯的不明原因兒童肝炎的表型，而Slfn9的敲除小鼠幾乎完全阻斷了單鏈DNA免疫刺激導致的肝炎。同時，研究人員還證明了SLFN11/9是單鏈DNA核酸藥物治療腫瘤的關鍵靶點。


綜上所述，這項研究發現單鏈DNA作爲一種病原相關分子模式，可以激活其模式識別受體SLFN11，從而引發天然免疫反應，不僅填補了單鏈DNA模式識別受體的空白，還揭示了SLFN11作爲ssDNA-activated RNase代表了一種全新的模式識別受體工作模式。同時，該研究也首次闡述了單鏈DNA可以誘導肝炎的產生，爲臨牀上發現的AAV2與不明原因肝炎的相關性提供了因果關係的理論基礎，並提示SLFN11是相關免疫疾病和腫瘤治療的重要靶點。同期雜誌邀請哈佛大學Jonathan Kagan教授撰寫了評述：Waking the sleeping giant: Single stranded DNA binds Schlafen 11 to initiate innate immune responses。

劉德培課題組助理研究員張鵬，博士生胡小青和李澤坤爲該論文的共同第一作者。劉德培院士和陳厚早教授爲共同通訊作者。