Nature:线粒体DNA(mtDNA)介导抗疱疹病毒免疫反应

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近日，来自美国耶鲁大学医学院的科研人员发现了宿主抗疱疹病毒感染的一种新机制。疱疹病毒感染细胞导致线粒体应激，mtDNA-蛋白压缩组装结构受到破坏，蓬松变大使得mtDNA不稳定，断裂mtDNA释放到细胞质中经cGAS-STING–IRF3通路激活ISG基因表达，产生抗病毒作用。


线粒体中mtDNA通过与组蛋白结合，类似于染色体样进行压缩成型，形成一种类核结构（nucleoids）来稳定mtDNA的结构。TFAM是线粒体转录因子A，可以与mtDNA结合来调控类核的构建和稳定性。实验人员在TFAM杂合子缺失小鼠(Tfam+/−) 的MEF（鼠胚胎成纤维细胞）中发现，与正常小鼠细胞相比，其线粒体形态改变，mtDNA类核结构变大，而且细胞质中有大量mtDNA的存在（mtDNA stress），ISG基因高表达，同时Ploy(I:C)处理后IFN表达也明显上调。这些现象说明TFAM的缺失使得mtDNA稳定性降低，容易释放到细胞质中从而激活免疫信号通路。




cGAS是细胞质中的一类DNA识别受体，DNA被cGAS识别结合后会合成一种小分子cGAMP，cGAMP被内质网上的STING识别经TBK1-IRF3通路激活免疫反应。作者通过siRNA knockdown和过表达实验证实了mtDNA stress正是通过cGAS-STING通路来激活免疫反应的。




Tfam+/−的MEF中ISG基因高表达是否对病毒感染有影响呢？作者发现与正常小鼠细胞相比，Tfam+/−的细胞都表现出对HSV-1，VSV,MHV-68和LCMV Armstrong具有很强的抗病毒感染能力。为了验证Tfam+/−细胞的mtDNA stess参与抗病毒感染，作者使用了一种去氧核苷酸类似物——双脱氧胞苷（ddc）来抑制mtDNA的复制、减小类核结构。Tfam+/−细胞中加入ddc之后，ISG的表达受到明显抑制，病毒感染复制增强，表明mtDNA stress具有抗病毒感染作用。




那么在病毒感染情况下是否有mtDNA stess的发生呢？非常有趣，作者只在疱疹病毒感染细胞中观察到mtDNA stess，而在VSV,influenza,LCMV,和痘病毒感染的细胞中却没有观察到这一现象。虽然之前作者发现mtDNA stess对多种病毒具有抗病毒作用，但是在这些病毒感染过程中确只有疱疹病毒能引起mtDNA stess。作者就这一现象的具体机制进行了探讨。疱疹病毒的UL12蛋白被报道过定位于线粒体，破坏线粒体结构，促使mtDNA的降解。作者构建表达HSV-1 UL12 M185的逆转录病毒感染正常小鼠MEF细胞，结果细胞表现出mtDNA stess。此外，作者还构建了UL12 M185缺失HSV病毒来感染细胞，与正常病毒相比，缺失病毒感染不能引起高ISG表达，在细胞中的感染复制能力增强。说明这是一种机体针对疱疹病毒感染而产生的一种特殊抗病毒机制。

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Mitochondrial DNA stress primes the antiviral innate immune response

A. Phillip West,        William Khoury-Hanold,        Matthew Staron,        Michal C. Tal,        Cristiana M. Pineda, Sabine M. Lang,        Megan Bestwick,        Brett A. Duguay,        Nuno Raimundo,        Donna A. MacDuff, Susan M. Kaech,        James R. Smiley,        Robert E. Means,        Akiko Iwasaki        & Gerald S. Shadel


Mitochondrial DNA (mtDNA) is normally present at thousands of copies per cell and is packaged into several hundred higher-order structures termed nucleoids1. The abundant mtDNA-binding protein TFAM (transcription factor A, mitochondrial) regulates nucleoid architecture, abundance and segregation2. Complete mtDNA depletion profoundly impairs oxidative phosphorylation, triggering calcium-dependent stress signalling and adaptive metabolic responses3. However, the cellular responses to mtDNA instability, a physiologically relevant stress observed in many human diseases and ageing, remain poorly defined4. Here we show that moderate mtDNA stress elicited by TFAM deficiency engages cytosolic antiviral signalling to enhance the expression of a subset of interferon-stimulated genes. Mechanistically, we find that aberrant mtDNA packaging promotes escape of mtDNA into the cytosol, where it engages the DNA sensor cGAS (also known as MB21D1) and promotes STING (also known as TMEM173)–IRF3-dependent signalling to elevate interferon-stimulated gene expression, potentiate type I interferon responses and confer broad viral resistance. Furthermore, we demonstrate that herpesviruses induce mtDNA stress, which enhances antiviral signalling and type I interferon responses during infection. Our results further demonstrate that mitochondria are central participants in innate immunity, identify mtDNA stress as a cell-intrinsic trigger of antiviral signalling and suggest that cellular monitoring of mtDNA homeostasis cooperates with canonical virus sensing mechanisms to fully engage antiviral innate immunity.

http://www.nature.com/nature/jou ... ll/nature14156.html

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从Tfam+/−细胞实验中可以看到mtDNA stress像是具有广谱的抗病毒作用，那是否只要病毒能够破坏线粒体稳定性，造成mtDNA stress就会引起强烈的抗病毒免疫反应呢？

marine0425030

谢谢分享。。看这个标题用的还在想这是不是一种普遍的机制，看到后面发现而在VSV,influenza,LCMV,和痘病毒感染的细胞中却没有观察到这一现象。

这是病毒特异性的反应？ 这个mtDNA stress 能提高抗病毒能力，我也听说ER stress也可以提高抗病毒能力。有趣。。感觉只要你敢想，貌似很遥远的两个东西就这么完美的在一起啦。。。

marine0425030

ipsvirus 发表于 2015-4-23 20:04
从Tfam+/−细胞实验中可以看到mtDNA stress像是具有广谱的抗病毒作用，那是否只要病毒能够破坏线粒体稳定性 ...

这个确实是个很有趣的问题啊，你说这个病毒蛋白好好的跑去线粒体折腾什么啊？这个蛋白有没有特定的作用？你说她去线粒体就去了呗，还惹祸了，把人家线粒体弄得stress了，直接对你总部发起进攻。

有光谱作用吗?不是说其他几个病毒都无效吗?是不是他们的蛋白压力不去线粒体瞎逛啊？

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marine0425030 发表于 2015-4-23 20:11
谢谢分享。。看这个标题用的还在想这是不是一种普遍的机制，看到后面发现而在VSV,influenza,LCMV,和痘病毒 ...

前两天还看过一篇更叼的文章（忘了是nature还是nature immunology了）。SOX2，一种干细胞生长因子，作者发现在干细胞和中性粒细胞中高表达，在DC，巨噬细胞等其他免疫细胞中不表达。结果发现SOX2在中性粒细胞中介导了细菌的免疫应答。SOX2识别结合细菌DNA产生促炎因子，发挥抗细菌作用。可惜对病毒没有作用。

作者的想法更是天马星空，一种干细胞生长因子都能想到免疫sensor上

ipsvirus

marine0425030 发表于 2015-4-23 20:24
这个确实是个很有趣的问题啊，你说这个病毒蛋白好好的跑去线粒体折腾什么啊？这个蛋白有没有特定的作用？ ...

不知道，流感病毒的PB1-F2不是也是定位在线粒体上的吗，而且还是个孔蛋白，这还不把线粒体搞个半死，居然没有mtDNA stress。奇怪

marine0425030

ipsvirus 发表于 2015-4-23 20:33
前两天还看过一篇更叼的文章（忘了是nature还是nature immunology了）。SOX2，一种干细胞生长因子，作者 ...

哈哈。。说机体太复杂吧，也可以说机体太简单，动一发而牵全身，貌似没联系的东西通过各种直接间接的相互作用也就合理的作用到了一起。。

marine0425030

ipsvirus 发表于 2015-4-23 20:36
不知道，流感病毒的PB1-F2不是也是定位在线粒体上的吗，而且还是个孔蛋白，这还不把线粒体搞个半死，居然 ...

哈哈。。确实是哦，可能还有其他机制吧。

对了，后面几行的stress 好像少了个字母。。

ipsvirus

marine0425030 发表于 2015-4-24 08:57
哈哈。。确实是哦，可能还有其他机制吧。

对了，后面几行的stress 好像少了个字母。。 ...

不要在意这些细节

marine0425030

科学网 孙学军老师也对本文发了一篇博文。线粒体DNA应激与抗病毒免疫

选出部分文字与大家分享

孙学军老师个人认为，这一现象类似于细胞把线粒体作为病毒看待，正常线粒体因为存在包膜，无法被细胞内抗病毒感受器探测到，能保持相安无事。这也难怪，因为线粒体本身在进化上属于外来入侵的细胞或细菌或病毒，但是一旦线粒体一旦出现核酸泄漏，那么就被认为是外源性DNA，泄漏的线粒体DNA非常类似于病毒DNA。其实如果细胞核内DNA释放到细胞浆，也同样面临这种局面。不过这也可以理解为细胞受到损伤，线粒体出现功能结构紊乱，细胞产生反应的一种模式。进一步设想，如果释放到细胞外，估计能引起抗细菌炎症反应。
本段落引用地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-885296.html


#2 张晓战2015-4-26 15:41
这篇文章刚出来的时候就看到了，确实很新颖，但是病毒感染过程中，并不能都能引起mtDNA释放到细胞质中，不知道这个现象是病毒感染的个体案例，还是共性。需要进一步的实验证实，不过确实是一个很好的方向的

#5 gilbeit 2015-4-26 17:21大量研究已经表明线粒体是细胞内天然免疫抗病毒的重要平台，RNA病毒诱导的RLR信号通路重要接头蛋白在线粒体上，并且病原体感染产生炎症小体的过程也和线粒体息息相关。本人觉得这个mtDNA很可能是病毒感染细胞后，线粒体中氧化反应发生了变化导致炎症的产生才释放出来的。

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marine0425030 发表于 2015-4-27 08:37
科学网 孙学军老师也对本文发了一篇博文。线粒体DNA应激与抗病毒免疫

选出部分文字与大家分享

线粒体从进化上讲是细胞的一种共生菌吧。它有自己的遗传物质和核糖体，最简单的细菌模式。cGAS识别DNA激活STING经TBK1-IRF3通路激活IFN通路，还有NF-Kb和AP-1激活促炎因子的产生，文章上只讲了抗病毒反应，我觉得在抗细菌炎症反应上肯定也有的，不需要在释放到胞外吧。

另外，关于#5 gilbeit 提到 “本人觉得这个mtDNA很可能是病毒感染细胞后，线粒体中氧化反应发生了变化导致炎症的产生才释放出来的。”可能不对。文章在补充数据里有检测细胞的氧化呼吸速率的

a中Tfam+/− cells的mtDNA损伤，但在b中可以看到其氧消耗基本没有什么变化的。所以如果病毒感染后，其病毒蛋白靶向线粒体内类似TFAM等转录分子引起mtDNA stress并不影响其氧化反应的。