PNAS:中科院昆明动物所姚永刚课题组揭示树鼩缺失天然免疫基因
2016年9月12日，国际著名学术期刊《美国国家科学院院刊》杂志在线发表了中国科学院昆明动物研究所姚永刚课题组题为“Loss of RIG-I leads to a functional replacement with MDA5 in the Chinese tree shrew”研究工作，论文揭示了树鼩为何可以缺失天然免疫重要基因RIG-I。姚永刚课题组的许凌博士和余丹丹为该论文的共同第一作者，姚永刚研究员为通讯作者。
天然免疫是机体抵抗病毒入侵的第一道防线。细胞内抗病毒天然免疫过程的开启，有赖于模式识别受体(pattern-recognition receptors，PRRs)对于外源刺激的识别，产生大量的I型干扰素、细胞因子、补体和炎性因子等，广谱地清除病原微生物。目前公认的模式识别受体主要有Toll样受体、NOD样受体、RIG-I样受体和胞浆DNA受体。其中，RIG-I样受体(RLRs)包括RIG-I(视黄酸诱导基因蛋白I)、MDA5(黑素瘤分化相关基因5)和LGP2三个家族成员。
树鼩作为重要的具有潜在应用价值的新型实验动物，日渐受到重视。前期昆明动物研究所与深圳华大基因研究院合作，完成了树鼩基因组解析，全面分析了树鼩的遗传特性，解释了其用于人类疾病动物模型，尤其是病毒感染模型创建的遗传基础，发现其免疫系统基因存在特异性，如基因组中RIG-I基因缺失等(Fan et al. 2013 Nature Communications)。作为RLRs家族的一员，RIG-I是细胞内识别病毒双链RNA的一个重要受体，对于抵抗RNA病毒的入侵至关重要。RIG-I基因为何可以在树鼩基因组中缺失，这是否与树鼩能感染多种人类病毒的现象有关?RIG-I基因缺失后，是否存在替代分子，补偿其功能，这是否是树鼩对于某些人类病毒感染率低、极少形成持续性感染的原因?这些问题的解答，对于我们认识哺乳动物天然免疫基因的功能进化、创建树鼩病毒感染模型，无疑具有重要的意义。
姚永刚课题组针对树鼩基因组中RIG-I基因缺失这一现象，开展了深入研究。他们发现，树鼩虽然缺失RIG-I，但在多种病毒刺激下仍能够诱导树鼩细胞产生I型干扰素，由此表明树鼩细胞中存在RIG-I功能替代物。RIG-I样受体家族的另一成员MDA5，与RIG-I识别不同病毒种类及病毒结构，两者功能并不冗余。他们利用RIG-I特异性识别的病毒来刺激树鼩细胞，并利用基因过表达与敲除、荧光素酶报告系统、RNA免疫共沉淀等多种实验手段，证实了MDA5能够部分替代RIG-I功能，进而识别RIG-I特异性识别的病毒，结合与RIG-I相互作用的蛋白MITA，诱导干扰素β的产生。进一步从进化的角度对MDA5深入分析后发现，树鼩MDA5受到强烈的正选择作用，且发生正选择的氨基酸位点位于MDA5蛋白的重要结构域。这些受到选择作用的位点在多个脊椎动物中高度保守。对这些正选择位点开展的突变功能分析证实，是这些选择位点赋予了树鼩MDA5更加强大的抗病毒功能，在漫长的进化过程中衍生出了强大的替代功能。有趣的是，他们在人类的MDA5蛋白中引入树鼩中受到选择的氨基酸位点，发现这种人造的人类MDA5突变体也获得更强的抗病毒能力。该研究从树鼩基因组RIG-I基因缺失这一现象出发，结合系统的功能实验，很好地展现了哺乳动物抗病毒天然免疫的适应性和功能多样性。
人类和树鼩RLR天然免疫抗病毒信号通路模式图.
原文链接：
Loss of RIG-I leads to a functional replacement with MDA5 in the Chinese tree shrew
原文摘要：
The function of the RIG-I-like receptors (RLRs; including RIG-I, MDA5, and LGP2) as key cytoplasmic sensors of viral pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) has been subjected to numerous pathogenic challenges and has undergone a dynamic evolution. We found evolutionary evidence that RIG-Iwas lost in the Chinese tree shrew lineage. Along with the loss of RIG-I, both MDA5 (tMDA5) and LGP2(tLGP2) have undergone strong positive selection in the tree shrew. tMDA5 or tMDA5/tLGP2 could sense Sendai virus (an RNA virus posed as a RIG-I agonist) for inducing type I IFN, although conventional RIG-I and MDA5 were thought to recognize distinct RNA structures and viruses. tMDA5 interacted with adaptor tMITA (STINGTMEM173/ERIS), which was reported to bind only with RIG-I. The positively selected sites in tMDA5 endowed the substitute function for the lost RIG-I. These findings provided insights into the adaptation and functional diversity of innate antiviral activity in vertebrates.
作者：姚永刚
