撰文丨小白薯
責編丨迦 漵
經過千百萬年的進化，病毒與宿主、病原菌與宿主都已經進化出非常完備的機制來使自己存活下去。自然界中有成千上萬種病毒，它們雖然沒有自己獨立的生命系統，但都有完備的策略來應對自己複製所需的細胞過程，同時阻止宿主的抗病毒反應，使自己存活於這個世界。
前不久，Cell雜誌發表了來自美國西北大學Derek Walsh課題組題為Poxviruses Evade Cytosolic Sensing through Disruption of an mTORC1-mTORC2 Regulatory Circuit的文章，報導了DNA病毒痘病毒是如何在宿主內通過破壞mTORC1-mTORC2信號通路來逃避宿主的「追殺」的過程！
痘病毒科（Poxviridae），因感染人和動物後常引起局部或全身化膿性皮膚損害而得名，英文中的Pox即為「痘」或「膿皰」之意。痘病毒是哺乳動物中病毒粒最大、最複雜的一類 DNA 病毒，遺傳物質為線形雙鏈DNA。我們最熟知的痘病毒可能要數天花和牛痘病毒了。我們知道接種牛痘可以免疫天花，早在1980年，WHO就宣布人類已經把天花病毒消滅。但是痘病毒科是一個很大的家族，包含脊索亞科和昆蟲亞科兩個亞科和多個屬種，這些病毒對於人類的生產生活、自然界的其他宿主有著巨大的影響。
痘病毒是一種非常自給自足的DNA病毒家族。在氣溶膠傳播的情況下，痘病毒感染從皮膚成纖維細胞中起始，接著是在皮層駐留或在肺泡中的巨噬細胞；然後巨噬細胞將病毒攜帶到血流中，在那裡它擴散到遠端部位，再次在真皮成纖維細胞中複製以引起特徵性膿皰。
在病毒侵染宿主的過程中，他們的生存除了利用宿主代謝調節劑之外，還必須與免疫傳感器的武器不屑鬥爭！。所以所謂的「溶質感應（Cytosolic Sensing）」即與宿主細胞中的免疫防禦系統之間的「戰爭」！由於所有的病毒都必須從RNA翻譯到蛋白質執行功能，所以所有病毒都必須躲避RNA感應器，但DNA病毒則還需面臨DNA傳感途徑的額外障礙。
大多數DNA傳感器通過幹擾素（interferon, IFN）基因（stimulator of interferon (IFN) genes, STING）通路，募集激酶TBK1，磷酸化IFN響應因子（IFN response factor 3, IRF3），然後IRF3易位至細胞核誘導幹擾素激活基因（IFN-stimulated gene，ISG）的表達【1】。環二糖GMP-AMP（cGAMP）合成酶（cGAS）是許多細胞類型中表達的主要細胞質DNA傳感器。在結合DNA後，cGAS產生直接激活STING的cGAMP【2,3】，然後啟動抗病毒響應（圖1）。
圖1. cGAS激活STING響應病毒侵染機制【3】
雷帕黴素複合物（mTOR）在協調真核細胞的生長代謝、營養吸收、疾病等方面扮演著重要角色。作為代謝穩態的核心激酶，以mTORC1和mTORC2兩種不同的複合物形式存在（圖2）。mTORC1和mTORC2可以在mTOR的中央和C端結構域結合相同的蛋白，二者的主要區別在於各自獨特的N-末端結合蛋白（圖2）。mTORC1與mTOR調節相關蛋白（regulatory associated protein of mTOR，Raptor）結合，主要控制mRNA代謝、胺基酸代謝、蛋白質合成和營養或能量變化等。mTORC2與mTOR雷帕黴素不敏感伴侶蛋白（rapamycin-insensitive companion of mTOR，（或Raptor不依賴伴侶蛋白Raptor-independent companion of mTOR），Rictor）結合，主要響應胰島素變化、脂代謝、生長因子等【4,5】。
圖2. mTORC1和mTORC2複合物結合蛋白【4】
從前人研究的mTOR信號通路可以得知，mTORC1可以通過PI3K介導的Akt刺激激活（圖3）。mTORC2可以磷酸化Akt以激活其活性【6】。由於mTORC1位於Akt的下遊，為防止連續的級聯放大效應，mTORC1可以磷酸化底物p70S6K以抑制mTORC2活性。整個過程通過負反饋機制建立了mTORC1和mTORC2活性的平衡（圖3）。
圖3. Akt介導的mTORC1和mTORC2環路平衡
此前關於病毒與mTOR的文章也有報導。一些RNA病毒採用不依賴5′帽子的模式起始翻譯，並抑制mTORC1的活性以抑制宿主蛋白質合成。相比之下，許多DNA病毒則通過削弱mRNA的代謝，包括生物合成、運輸和/或影響mRNA的穩定性來損害宿主翻譯系統，並且通常激活mTORC1以促進其自身mRNA依賴5′帽子的翻譯進程【7】。然而，目前還沒有關於病毒直接靶向mTORC1或mTORC2的報導。
在這篇文章中，Derek Walsh課題組發現痘病毒通過破壞mTORC1-mTORC2調節迴路的保守結構蛋白逃避細胞溶質感應。他們發現在poxviruses病毒侵染後，宿主細胞中的mTOR信號通路就對Akt變得不敏感了，也就是說，一旦病毒侵染宿主，Akt就不再能激活mTORC1（圖4）。接著他們鑑定到一個由病毒基因組編碼的蛋白質F17，該蛋白可以結合Raptor和Rictor，同時分別隔離並阻止他們對mTORC1和mTORC2的激活（圖4）。這樣一來，F17就破壞了mTORC1-mTORC2之間的平衡和交流，下調了mTOR協調宿主對病毒感染的響應。
圖4. F17蛋白與Raptor和Rictor的IP結果
進一步實驗表明，F17蛋白對抵抗靶細胞中的抗病毒反應是必需的。F17蛋白可抑制cGAS-STING的激活，F17阻止了STING和cGAS在高爾基體的積累（圖5左）。在缺失F17的痘病毒感染期間，內質網囊泡累積在高爾基體周圍，伴隨著很多被激活的STING斑點；同時，也可以觀測到cGAS的積累（圖5右），導致幹擾素響應基因IRF3的表達；有了IRF3基因的表達，才能激活下遊幹擾素相關基因的表達，以啟動抗病毒反應。
圖5. F17阻止了STING（左）和cGAS（右）在高爾基體的定位
mTOR本在STING介導的抗病毒反應中起著重要作用。如圖6所示，mTORC2可調節cGAS穩定性（1），降低mTORC1活性將促進STING誘導的IFN應答（2），並且mTORC1在誘導後可增強幹擾素相關基因ISG的翻譯（3）。整個過程STING和mTOR協同控制，保持平衡，以最高效的方式響應病毒侵染。
圖6. mTOR在STING介導的抗病毒反應中的作用
然而，前面說到，在痘病毒侵染後，mTOR就失調了，不再響應Akt的激活。mTOR失調導致mTOR定位於高爾基體，導致宿主對痘病毒感染的反應紊亂。痘病毒F17蛋白通過與Raptor和Rictor相互作用，破壞了mTORC1-mTORC2調節環路，降低ISG翻譯效率，驅動mTORC2介導的cGAS降解，阻斷STING介導的ER應激和IRF3易位至細胞核的過程，從而阻斷了STING介導的抗病毒反應（圖8）。這也廣泛地隔離了其它通過STING介導的DNA感受器的響應。而病毒在「逃脫」傳感通路捕捉的同時，卻保留了mTOR介導的病毒蛋白質合成途經，可以說是非常的「精明」！
圖8. F17蛋白破壞mTORC1-mTORC2調節環路的模型
因此，這篇文章揭示了F17蛋白作為廣泛損害DNA傳感途徑的手段（圖8），致使mTOR失調，形成一種保守的「痘病毒策略」來對抗細胞溶質感應，同時維持mTOR調節代謝活性為自己服務。與許多病毒不同，F17在所有痘病毒中是進化保守的【8】，這表明這可能是痘病毒用於抵抗細胞溶質感知的獨特策略。cGAS-STING途徑在6億年前進化並在脊椎動物中功能多樣化感知DNA【3】，而Raptor和Rictor與mTOR共同進化並在所有真核生物中保守【4,5】。這表明F17可能已經發展出在痘病毒進化早期結合和隔離mTOR調節蛋白的能力，並在進化的「軍備競賽」中形成核心痘病毒策略以對抗細胞溶質感應的防禦。此文的研究為揭示痘病毒侵染機制邁出了重要一步，為消除痘病毒提供了非常重要的參考策略！
通訊作者簡介
Derek Walsh博士在愛爾蘭都柏林城市大學（Dublin City University）獲得博士學位，後分別在哥倫比亞大學和紐約大學醫學院從事博士後研究。現在是美國西北大學（northwestern University）醫學院助理教授，獨立PI。實驗室主要研究方向有兩個，一是天花病毒（VarV）和痘苗病毒（VacV）如何控制宿主翻譯系統的複製；二是研究皰疹病毒家族的大型DNA病毒是如何利用微管和微管調節蛋白在細胞中感染和複製的機制。Derek Walsh博士目前已作為通訊作者或第一作者發表論文30餘篇，包括眾多nature、cell、Nat Commun、Proc Natl Acad Sci USA、Cell Host Microbe等高水平研究論文和多篇Annu Rev Virol 、Nat Rev Microbiol等綜述論文。
參考文獻：
1 Ishikawa, H. & Barber, G. N. STING is an endoplasmic reticulum adaptor that facilitates innate immune signalling. Nature 455, 674 (2008).
2 Ablasser, A. et al. cGAS produces a 2′-5′-linked cyclic dinucleotide second messenger that activates STING. Nature 498, 380 (2013).
3 Margolis, S. R., Wilson, S. C. & Vance, R. E. Evolutionary origins of cGAS-STING signaling. Trends in immunology 38, 733-743 (2017).
4 Sabatini, D. M. Twenty-five years of mTOR: Uncovering the link from nutrients to growth. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201716173 (2017).
5 Saxton, R. A. & Sabatini, D. M. mTOR signaling in growth, metabolism, and disease. Cell 168, 960-976 (2017).
6 Sarbassov, D. D., Guertin, D. A., Ali, S. M. & Sabatini, D. M. Phosphorylation and regulation of Akt/PKB by the rictor-mTOR complex. Science 307, 1098-1101 (2005).
7 Jan, E., Mohr, I. & Walsh, D. A cap-to-tail guide to mRNA translation strategies in virus-infected cells. Annual review of virology 3, 283-307 (2016).
8 Wickramasekera, N. T. & Traktman, P. Structure/function analysis of the vaccinia virus F18 phosphoprotein, an abundant core component required for virion maturation and infectivity. Journal of virology 84, 6846-6860 (2010).
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