《Nature》:上海交大系统生物医学研究院蔡宇伽团队等首次发现大脑专属抗病毒卫士TMEFF1

　　

宿主对微生物感染的防御能力是物种生存的最基本前提之一，其重要性堪比能量摄取和生命繁衍。然而，免疫反应也有可能对宿主造成严重损害，并且消耗大量的能量。因此，大多数免疫机制都是诱导型且受到严格的调控。这一原则对于人体有效对抗感染是非常关键的，可以对免疫损伤高度敏感的组织如中枢神经系统（CNS）形成全面和周到的保护。大脑跟人体其他组织和器官一样，同样面临病毒感染的风险，且一旦发生后果往往更为严重。然而，目前我们对于大脑中神经元细胞是如何对抗病毒感染的这一基本生物学问题的了解仍然十分有限，尚未发现任何神经元特有的抗病毒机制。

单纯疱疹病毒（HSV）是一种广泛存在的嗜神经性双链DNA病毒。据统计，50-80%的成年人血清学检测呈阳性，是一个巨大的全球公共卫生挑战。HSV的原发感染通常发生在上皮细胞中，随后进入感觉神经，建立潜伏感染状态。单纯疱疹病毒感染可以引起生殖器疱疹和病毒性角膜炎等症状，也被认为跟阿尔兹海默症和帕金森病存在一定的关联。所幸的是，尽管大多数人都是疱疹病毒的携带者，多数人并不会表现出明显的疾病症状。为什么在多数携带者中，作为嗜神经性病毒的HSV不会引起脑部感染?大脑是否存在神秘的守卫者?这些问题的答案依然是一个谜团，因此，有必要对神经元细胞对抗病毒的机制进行系统研究。

2024年7月24日上海交通大学蔡宇伽团队与丹麦奥胡斯大学S?ren R Paludan团队联合在《Nature》上发表了一项突破性研究成果（上海交通大学为第一单位），题为“TMEFF1 is a neuron-specific restriction factor for herpes simplex virus”。该研究利用全基因组CRISPR筛选技术发现了神经元细胞特异表达的TMEFF1蛋白在中枢神经系统中对单纯疱疹病毒HSV存在显著的限制作用。本研究首次报道了一种独立于干扰素系统的、神经元独有的抗病毒因子，为大脑抗病毒免疫机制研究提供了全新的视角。

研究团队在人源干细胞衍生的神经元中发现，TMEFF1的敲除会导致HSV-1复制显著增加，并引发神经元死亡。在Tmeff1基因敲除的小鼠模型中，大脑神经元中的病毒载量显著升高，表现为大脑对HSV-1感染的敏感性显著增加，而这一现象在外围组织中并未观察到（图1）。这些表明TMEFF1作为神经元特异性的限制因子，在控制HSV-1复制和预防脑感染中起着关键的作用。

图1 利用CRISPR文库筛选并在体内外验证TMEFF1的抗病毒作用

进一步的研究表明，TMEFF1的表达不受经典的干扰素和炎症细胞因子的通路调控。尽管目前已发现多种HSV-1限制因子，如MxB、IFI16和PML-核体蛋白等，这些因子作用于病毒DNA入核、转录和DNA复制等过程，其共同特点是都要受干扰素的调节，且没有一种在神经元里边特异表达。该项研究首次报告了一种独立于干扰素系统的神经元特有的HSV-1限制因子。研究还发现TMEFF1通过与病毒的入膜受体Nectin-1和非肌型肌球蛋白重链IIA/B相互作用来阻止病毒入膜，能同时干扰HSV-1 gD蛋白介导的病毒结合阶段及HSV-1 gB蛋白介导的病毒融合阶段，从而限制病毒的复制（图2）。这种双重防御机制反映了将HSV-1这种极为普遍的病毒阻挡在中枢神经系统外对于维持宿主的健康和功能至关重要性。

图2 TMEFF1在中枢神经系统神经元中限制HSV-1的作用模型

抗感染免疫反应必须在消除病原和免疫损伤之间找到微妙平衡。特别是对于脑部这样高度敏感的部位，失控的先天和适应性免疫反应都可能造成毁灭性的后果。该项研究不仅首次揭示了一种神经元特有的免疫机制，还为理解大脑中最佳的抗病毒免疫机制提供了重要线索。研究认为，大脑中最佳的抗病毒免疫机制是固有型免疫和干扰素驱动的免疫的结合。固有型免疫能即时作出响应，建立并提高感染的阈值；而干扰素驱动的免疫虽然更强大，但可能导致组织损伤。因此，这种结合提供了一种平衡状态，最大程度减轻病毒感染对中枢神经系统的伤害。

此外，本研究中根据TMEFF1抗病毒作用的机制，发现了一种TMEFF1衍生的多肽具有高效抵御HSV感染的功能。因此，这些发现也为开发新型抗病毒治疗策略贡献了新靶点，有望助力新型HSV药物开发，对公共卫生和医学研究具有重要意义。

上海交通大学系统生物医学研究院蔡宇伽教授与奥胡斯大学S?ren R Paludan教授为该论文共同通讯作者，上海交通大学系统生物医学研究院蔡宇伽课题组博士生戴瑶和奥胡斯大学S?ren教授课题组Manja Idorn博士为本文的共同第一作者。上海交通大学潘小勇、朱金伟、达林泰、陆青教授以及蔡宇伽课题组姜卓凡、钟亦晔和张淑慧等人也为这项研究的完成做出了重要贡献。本研究受到了两项国家自然科学基金面上项目的资助(批准号：31971364;32370148)。

本研究的灵感来自于2016年从事病毒载体与基因编辑研究的蔡宇伽博士在丹麦工作期间找到从事免疫研究的S?ren教授的一次颇为随意的谈话。蔡宇伽提出既然病毒与宿主的之间存在很多未知，为什么我们不用基因编辑筛选工具来系统性审视呢?肯定会有新发现！S?ren回答也很干脆，我这里正好有很多HSV。双方一拍即合。虽然论文顺利发表，研究过程充满艰辛与挑战，历时整整8年。蔡宇伽博士自2017年回国以来，克服前期经费不足、人员短缺等困难，用了两年的时间终于锁定了目标分子TMEFF1，进而对其展开分子机制研究。对于纯粹科学问题的好奇心一直是驱动蔡宇伽团队不断前进的最大动力。整个研究周期长、挑战多，历经中丹美跨国协调、全球多团队合作、跨学科沟通，终于解开了大脑独特的抗病毒谜团，回答了大脑如何对抗病毒感染这一最基本的生物学问题之一。

专家点评

赵国屏（中国科学院院士、中国科学院合成生物学重点实验室主任）

蔡宇伽和S?ren等人的研究发现并鉴定了一种此前从未发现的主要在神经元细胞中特异表达的病毒限制性因子TMEFF1。该因子通过与单纯疱疹病毒（HSV）受体Nectin-1和非肌肉型肌球蛋白链（NMHC）IIA/B相互结合的双保险机制来阻止病毒进入细胞，因此，是在病毒感染的第一时间也就是病毒入膜阶段发挥限制作用。TMEFF1与已知的大多数限制性因子不一样，它独立于经典的先天性免疫反应和干扰素（IFN）系统的调控，通过内在的、非诱导型的作用机制发挥功能，有利于神经元在遭遇HSV病毒感染时以最快的速度做出响应，对于维护大脑和神经元的健康具有重要意义。考虑到全球有数十亿单纯疱疹病毒的感染者，TMEFF1这项研究对于全球公共卫生具有重要的意义。

研究团队通过全基因组CRISPR筛选技术成功发现了TMEFF1这一抗病毒因子，展现了基因组编辑技术在病毒学研究中的应用潜力。此外，研究者基于TMEFF1的抗病毒机制发现了一种抗病毒多肽，这种多肽具有潜在的临床应用前景，可以成为未来抗病毒药物研发的重要方向。

TMEFF1的发现丰富了我们对大脑抗病毒机制的认知，帮助我们理解大脑在如何消除病毒感染和避免免疫细胞损伤上演化出的 “微妙平衡”，也为今后开发针对HSV的预防和治疗手段提供了新的科学依据，在科学和转化方面均具有重要的意义。这项研究不仅仅是病毒学领域的一次重大突破，也是神经科学和免疫学的一次重要交汇，为人类健康事业做出了一个重要的贡献。

李斌（上海交通大学特聘教授、上海市免疫学研究所科研副所长）

I型单纯疱疹病毒（HSV-1）是一种高度流行的嗜神经性双链 DNA 病毒，大约有50-80%的成年人呈血清阳性。HSV-1感染可以引起口唇部疱疹，也可以引发致盲性角膜炎，在特殊情况下，HSV-1 感染可从外周神经进入中枢神经系统，引起单纯疱疹性脑炎，死亡率可高达70%。即使患者获得治愈，后期仍面临着较高程度的神经后遗症。中枢神经系统作为人体的最为重要和敏感的组织之一，受到人体系统严格的保护，如血脑屏障可以过滤部分病毒的入侵。种种迹象表明神经元可能存在独特的抗病毒策略，能够在不激活炎症反应的情况下直接限制病毒的复制。然而，神经元到底通过什么样的机制发挥独特的抗病毒功能仍然不清楚。

本研究中，蔡宇伽等研究人员通过全基因组CRISPR筛选首次报道了神经元特异的HSV限制因子TMEFF1，并在干细胞分化的人神经元与Tmeff1敲除的小鼠中证实了TMEFF1高效限制病毒感染的功能，阐明了其发挥作用的具体分子机制。TMEFF1通过与介导病毒结合及融合的细胞表面受体相互作用，直接阻断了病毒进入细胞的进程，在第一时间将病毒阻挡在神经元细胞外。有意思的是，与多种已发现的干扰素（IFN）介导的病毒限制因子相比，TMEFF1的表达不受 IFN 和炎症细胞因子的调节，因此，避免了过度的IFN引起的病理损伤。该研究的重要性在于首次鉴定了TMEFF1作为神经元特异性的HSV限制因子，并发现了其保护神经元免受病毒感染的作用机制。该研究成果对于人体对抗病毒反应的研究与认知具有重要的意义。

作者：

蔡宇伽课题组

供稿单位：

系统生物医学研究院