曹雪濤組Cell報道抗病毒免疫新機制【附專家點評】丨BioArt特別推薦

BioArt按：I型干擾素是目前臨床用於治療慢性乙型肝炎的常用藥之一，然而其總體有效率較低，治療效果亟待提高。因此，全面深入認識干擾素抗病毒效應的具體機制以尋找有效防治病毒感染的免疫措施具有重要意義。7月27日，曹雪濤院士研究團隊在Cell雜誌上發表了題為「Methyltransferase SETD2-Mediated Methylation of STAT1 Is Critical for Interferon Antiviral Activity」的研究論文，該研究報道了組蛋白甲基轉移酶SETD2分子能夠顯著增強幹擾素的抗病毒效應，從而促進機體對各類病毒的抵抗能力。該發現為機體抗病毒免疫的效應機制提出了新觀點，也為有效防治病毒感染性疾病提供了新思路和潛在藥物研發靶標。鑒於該工作的重要性，BioArt特別邀請到了科學技術大學朱書教授點評，以饗讀者！

干擾素是機體抵抗病毒感染的關鍵性細胞因子，通過激活胞內JAK-STAT信號通路誘導一系列干擾素誘導性基因（IFN-stimulated genes ，ISGs）的表達，從而激活機體的抗病毒能力，為機體建立抵抗病毒感染、維持免疫穩態的重要防線【1】。干擾素信號調控異常與炎症性疾病、慢性感染性疾病發生髮展等密切相關【2】。儘管IFNα誘導的信號通路在宿主抗病毒反應方面的重要作用已經認識的比較清楚，然而這一信號通路是如何被調控的，目前的研究並不是太多。此外，I型干擾素是目前臨床用於治療慢性乙型肝炎的常用藥之一，然而其總體有效率較低，治療效果亟待提高。因此，全面深入認識干擾素抗病毒效應的具體機制以尋找有效防治病毒感染的免疫措施具有重要意義。

近年來生物醫學的一個研究熱點是探究表觀遺傳學機制在眾多生理病理過程中如何發揮重要調節作用。自2004年Danny Reinberg實驗室在Nature上發表第一篇關於SET9介導p53蛋白甲基化調控其活性的文章以來【3】，非組蛋白甲基化（包含賴氨酸甲基化和精氨酸甲基化）修飾成為了近10多年來表觀遺傳領域的一個研究熱點，目前已有上百個參與細胞內各個重要信號通路的蛋白被報道有甲基化修飾並且具有重要的調控功能（見下圖）【4】。

甲基轉移酶通過調控組蛋白甲基化參與多種免疫應答過程與免疫性疾病的發生（下圖）【5，6】，然而目前尚不清楚表觀遺傳酶分子如何直接調控細胞內信號轉導蛋白質分子翻譯后修飾機制及其在干擾素抗病毒免疫應答功能的具體作用。

在這項研究中，醫學免疫學國家重點實驗室主任曹雪濤院士與浙江大學醫學院免疫學研究所博士生陳坤等發現組蛋白甲基轉移酶SETD2分子能夠直接催化干擾素下游信號蛋白分子STAT1的甲基化，從而增強幹擾素效應信號，促進機體的抗病毒免疫功能。

研究團隊通過高通量RNA干擾篩選體系篩選了目前已報道的700餘種表觀遺傳修飾相關基因，發現組蛋白甲基轉移酶SETD2分子表達對於干擾素抵抗乙型肝炎病毒HB效應V的發揮至關重要。通過製備肝細胞中特異性敲除SETD2基因的小鼠模型體內實驗，證實SETD2能顯著增強幹擾素抑制HBV體內複製的效應。機制研究表明，SETD2分子通過其SET結構域發揮甲基轉移酶活性，直接催化信號蛋白STAT1的第525位賴氨酸發生單甲基化修飾（STAT1-K525me1），從而促進干擾素效應信號的活化（下圖）。此外，SETD2還可以選擇性地催化干擾素誘導性基因遠端啟動子區發生組蛋白H3K36me3的修飾,從而直接促進這些具有抗病毒作用基因的轉錄活化和表達（下圖）。SETD2在促進干擾素基因的表達方面真可謂是一箭雙鵰。

總的來說，該研究揭示了甲基轉移酶SETD2分子在促進干擾素抗病毒效應中的重要功能，為臨床上研發新的抗病毒藥物提供了潛在的研究靶標。該工作進一步完善了干擾素效應信號的調控網路，揭示了SETD2分子直接催化信號蛋白STAT1甲基化修飾的新機制，為免疫調控機制的研究提供了新的思路。

後記：曹雪濤院士實驗室近年來在表觀遺傳與免疫調控方面做出了大量出色的工作，例如2013年在Immunity雜誌上報道組蛋白甲基轉移酶Ash1l通過誘導泛素編輯酶A20抑制了IL-6生成及炎症性自身免疫疾病【7】；2015年發表在Nature上的論文揭示了DNA去甲基化酶TET2可以通過招募組蛋白去乙醯轉移酶HDAC2特異性抑制IL-6來消退炎症【8】；2016年在Nature Immunology雜誌上報道DNA甲基化酶Dnmt3a能促進天然免疫細胞釋放I型干擾素以抵禦病毒感染【9】等。此外，曹雪濤院士還受邀發表了多篇有關綜述【5，10】，可以說曹院士表觀遺傳與免疫調控領域的系列研究走在了國內外同行前列。

Comments：全世界範圍內因HBV感染而導致的乙肝患者超過3.5億，其中約1/3在。目前在臨床上IFNα被用來治療慢性乙肝，然而IFNα療法僅對一小部分慢性乙肝患者有效。因此，闡明IFNα介導的抗HBV感染的免疫調控機制，對於提高針對慢性乙肝的IFNα療效有著十分重要的意義。7月27日，曹雪濤團隊在最新的一期Cell雜誌上發表了題為「Methyltransferase SETD2-Mediated Methylation of STAT1 Is Critical for Interferon Antiviral activity」的研究論文。該研究團隊發現甲基轉移酶SETD2能夠甲基化修飾IFNα信號通路中的關鍵蛋白STAT1。通過直接對STAT1 的K525位點進行甲基化修飾，SETD2能夠穩固IFNα刺激下STAT1的磷酸化狀態，從而增強IFNα信號介導的的抗HBV感染作用。該工作為HBV以及其他病毒感染性疾病的干預和治療提供了新的靶點和思路。

HBV影響了全球超過3.5億的乙肝患者，其中1/3的患者在。除了接種乙肝疫苗，目前臨床上還使用IFNα來治療慢性乙肝，然而IFNα療法只對一小部分慢性乙肝患者有效果。值得一提的是，IFNα的抗HBV感染作用主要是通過激活IFNα信號通路而進一步誘導表達下游的ISGs(IFN-stimulated genes)實現的。因此，闡明IFNα信號通路的調控機制，進而提高針對慢性乙肝的IFNα療效，有著十分重要的臨床意義。然而對於IFNα信號通路的調控，尤其是IFNα介導的STAT信號以及ISGs的表達調控，仍有很多未知的地方。

為了闡明HBV感染情況下IFNα信號通路的調控機制，曹雪濤院士團隊首先成功構建了感染HBV的HepG2.2.15細胞系。藉助於構建好的HBV感染細胞模型，曹雪濤院士團隊對包含有711個已知的表觀調控分子的siRNA庫進行了一次高通量篩選，發現了STAT1甲基化修飾的調控元件SETD2是干擾素通路的一個增強子。肝臟細胞特異性缺失SETD2的小鼠對HBV感染的抵抗力明顯減弱。進一步深入的研究發現SETD2能夠直接對STAT1 的K525位點進行甲基化修飾，穩固IFNα刺激情況下STAT1的磷酸化水平，從而增強IFN的抗HBV感染能力。值得一提的是，如果能構建STAT1 K525 mutant mice來驗證STAT1的該處修飾對於其功能的重要作用將會非常有意義。此外，曹雪濤院士團隊還發現SETD2能夠選擇性催化下游一些特定的ISGs（如ISG15）啟動子區域H3K36 tri-methylation，很好的解釋了SETD2為什麼能夠選擇性調控一些特定ISGs的基因表達。曹雪濤院士團隊的工作首次發現了STAT1的甲基化修飾的調控元件SETD2，找到了STAT1的甲基化修飾位點（K525），進一步闡釋了病毒感染情況下IFNα信號通路的調控機制。該工作為其他基因的表觀修飾研究和信號通路的調控研究提供了很好的借鑒。

基因的表觀修飾對於基因的功能有著十分重要的影響。當前也有多項靶向表觀遺傳修飾分子的研究進入到臨床實驗當中。Methyltransferase也成為當前腫瘤和感染領域熱門的靶點。比如靶向histone methyltransferases DOT1L和EZH2治療多種腫瘤已經已經進入臨床研究；靶向histone methyltransferases Suv39H1, G9a，EZH2或者DNA methyltransferases DNMTI在HIV治療中也被用來激活 HIV latent reservoir來實現「Kick and kill」。曹雪濤院士團隊的工作為靶向Methyltransferase增強IFNα信號通路治療HBV提供了新的理論基礎和思路，具有很高的理論和應用價值。

參考文獻：

1、Schneider, W. M., Chevillotte, M. D., & Rice, C. M. (2014). Interferon-stimulated genes: a complex web of host defenses. Annual review of immunology, 32, 513-545.

2、McNab, F., Mayer-Barber, K., Sher, A., Wack, A., & O'garra, A. (2015). Type I interferons in infectious disease. Nature Reviews Immunology, 15(2), 87-103.

3、Chuikov, Sergei, et al. "Regulation of p53 activity through lysine methylation." Nature 432.7015 (2004): 353.

4、Biggar, K. K., & Li, S. S. (2015). Non-histone protein methylation as a regulator of cellular signalling and function. Nature reviews. Molecular cell biology, 16(1), 5.

5、Liu, J., Qian, C., & Cao, X. (2016). Post-translational modification control of innate immunity. Immunity, 45(1), 15-30.

6、Mowen, K. A., & David, M. (2014). Unconventional post-translational modifications in immunological signaling. Nature immunology, 15(6), 512-520.

7、Xia, M., Liu, J., Wu, X., Liu, S., Li, G., Han, C., ... & Cao, X. (2013). Histone methyltransferase Ash1l suppresses interleukin-6 production and inflammatory autoimmune diseases by inducing the ubiquitin-editing enzyme A20. Immunity, 39(3), 470-481.

8、Zhang, Q., Zhao, K., Shen, Q., Han, Y., Gu, Y., Li, X., ... & Cao, X. (2015). Tet2 is required to resolve inflammation by recruiting Hdac2 to specifically repress IL-6. Nature, 525(7569), 389.

9、Li, X., Zhang, Q., Ding, Y., Liu, Y., Zhao, D., Zhao, K., ... & Cao, X. (2016). Methyltransferase Dnmt3a upregulates HDAC9 to deacetylate the kinase TBK1 for activation of antiviral innate immunity. Nature immunology, 17(7), 806-815.

10、Bao, Y., & Cao, X. (2016). Epigenetic control of B cell development and B-cell-related immune disorders. Clinical reviews in allergy & immunology, 50(3), 301-311.

曹雪濤，醫學科學院院長 北京協和醫學院校長、工程院院士。1981年~1990年在第二軍醫大學攻讀大學部、碩士、博士學位；1990年~2010年於第二軍醫大學擔任免疫學教研室講師、教授、免疫學教研室副主任、主任，第二軍醫大學副校長兼免疫學研究所所長、全軍免疫與基因治療重點實驗室主任、醫學免疫學國家重點實驗室主任；2010年8月~2011年8月任醫學科學院 北京協和醫學院副院校長；2011年8月至2015年11月任醫學科學院院長 北京協和醫學院副校長；2015年11月至今，任醫學科學院院長，北京協和醫學院校長。2005年當選工程院院士，2013年當選德國科學院外籍院士。從事天然免疫與免疫調節基礎研究、免疫治療應用研究。以通訊作者在Cell、Nature、Science、Nature Immunology、Cancer Cell等發表SCI論文230餘篇，SCI他引6000餘次。兼任亞大免疫學會聯盟秘書長（2012-2015擔任主席），創辦《腫瘤生物治療雜誌》並任主編，Cellular and Molecular Immunology共同主編、任Journal of Molecular Medicine、Gene Therapy、Cancer Immunology Research副主編, 任Cell、Annual Review of Immunology、Science Translational Medicine、Science Advances、eLife、Cell Research等編委。以第一完成人獲國家自然科學二等獎1項（2003）、中華醫學科技獎一等獎2項、軍隊和上海市科技進步一等獎2項、上海市自然科學一等獎4項，獲得國家發明專利16項，獲得國家II類新葯證書2個。獲得工程院光華工程獎、首屆樹蘭醫學獎成就獎、教育部長江學者成就獎、青年科學家獎等。培養的12名博士生獲得全國優秀博士論文，獲得首屆研究所教育特等獎（2014）、Nature傑出導師終身成就獎（2015）。

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