陈志坚成果汇总|大概率是华人下一位诺奖获得者

健康   2024-10-18 15:01   湖北  

哈喽各位小伙伴们好呀!这两天科研界最火的热搜词应该是诺贝尔奖了,10月7日瑞典卡罗琳医学院揭晓了2024年诺贝尔生理学或医学奖获得者,科学家维克托·安布罗斯(Victor Ambros)加里·鲁夫昆(Gary Ruvkun)因发现微小核糖核酸(microRNA)及其在转录后基因调控中的作用而获奖
想必有小伙伴们在想华人什么时候能够再出一位诺贝尔生理学或医学奖获得者呀?别急,小编在此“大胆”预测一下华人下一位诺贝尔生理学或医学奖获得者!2024年9月19日,被誉为诺贝尔奖“风向标”的生物医学领域重要奖项——拉斯克奖(The Lasker Awards)揭晓。华人科学家陈志坚(Zhijian “James” Chen)教授获得拉斯克奖基础医学研究奖。华人首个诺贝尔医学奖获得者中国药学家屠呦呦在2011年就曾获得过此奖项,拉斯克奖的份量不言而喻。



陈志坚教授发现了能够感知外来和自身DNA的cGAS酶而获得拉斯克奖,该发现解开了DNA如何刺激免疫和炎症反应的谜团,阐明了人体抵抗病毒、细菌和其他微生物等入侵病原体的过程。今天小编就给大家带来陈志坚教授团队近年来研究的成果汇总!


陈志坚教授团队主要研究信号转导的机制,即细胞如何与其周围环境以及自身内部进行交流。特别是,其团队对细胞如何检测有害或外来的刺激,并发起适当的反应以恢复体内平衡感到着迷。因此,他们的研究围绕着细胞信号传导和宿主防御这一共同主题展开。


一、NF-κB通路中的泛素信号传导

(1)IκB泛素化、IKK和IκB泛素连接酶

NF-κB是一种转录因子,可以响应多种刺激来调控大量基因的表达。NF-κB的异常调控与许多人类疾病相关,如癌症和自身免疫性疾病。通常情况下,NF-κB被IκB家族的蛋白质隔离在细胞质中。在受到刺激时,不同的信号级联会汇聚到IκB激酶复合物(IKK),IKK会磷酸化IκB,并通过泛素-蛋白酶体途径将这些抑制因子标记为降解目标。随后,NF-κB进入细胞核,启动下游目标基因的表达。


代表性论文:

  • Chen, Z.J., Hagler, J. Palombella, V. J., Melandri, F., Scherer, D., Ballard, D., and Maniatis, T. (1995) Signal-induced site-specific phosphorylation targets IkBa to the ubiquitin-proteasome pathway. Genes & Dev. 9: 1586-1597

  • Chen, Z.J., Parent, L., and Maniatis, T. (1996) Site-specific phosphorylation of IkBa by a novel ubiquitination-dependent protein kinase activity. Cell 84, 853-862.

  • Spencer, E., Jiang, J., and Chen, Z.J. (1999) Signal-induced ubiquitination of IkBa by the F-box protein, Slimb/b-TrCP. Genes & Dev. 13, 284-294.

(2)泛素介导的TAK1和IKK激活

最近,陈志坚教授团队的研究重点是IKK如何被不同的通路调控。有趣的是,他们发现泛素化通过一种独立于蛋白酶体的机制激活IKK。研究表明,TRAF6是通过白介素-1β和Toll样受体(TLRs)激活NF-κB所必需的蛋白质,它是一种泛素E3连接酶,与E2复合物Ubc13/Uev1A协同作用,合成通过泛素的赖氨酸63(K63)连接的多泛素链。这些泛素链与TAK1激酶复合物的TAB2和TAB3亚基结合,从而激活TAK1激酶。随后,TAK1磷酸化并激活IKK。陈教授团队的最新研究支持“非降解性”泛素化在不同通路中激活TAK1和IKK的关键作用,包括那些由TNF受体、T细胞受体、RIG-I样受体、NOD样受体和DNA损伤引发的通路。

图1. A20 限制 IKK 激活的非催化机制模型
代表性论文:

  • Deng, L., Wang, C., Spencer, E., Yang, L., Braun, A., You, J., Slaughter, C., Pickart, C., and Chen, Z.J. (2000) Activation of the IkB kinase complex requires a dimeric ubiquitin-conjugating enzyme complex and the formation of a unique polyubiquitin chain. Cell 103, 351-361.

  • Wang, C., Deng, L., Hong, M. Akkaraju, G.R., Inoue, J-i., and Chen, Z.J. (2001) TAK1 is a ubiquitin-dependent kinase of MKK and IKK. Nature 412, 346-351.

  • Sun, L., Deng, L., Ea, C-K., Xia, Z-P., and Chen, Z.J. (2004) The TRAF6 ubiquitin ligase and TAK1 kinase mediate IKK activation by BCL10 and MALT1 in T lymphocytes. Molecular Cell 14, 289-301.

  • Kanayama, A., Seth, R.B., Ea, C-K, Hong, M., Shaito, A., Deng, L., and Chen, Z.J. (2004) TAB2 and TAB3 activate the NF-κB pathway through binding to polyubiquitin chains. Molecular Cell 15, 535-548.

  • Ea, C-K., Deng, L., Xia, Z-P., Pineda, G., and Chen, Z.J. (2006) Activation of  IKK by TNFa requires site-specific ubiquitination of RIP1 and polyubiquitin binding by NEMO. Molecular Cell 22, 245-257.

  • Xu, M., Skaug, B., Zeng, W., and Chen, Z.J. (2009) A ubiquitin replacement strategy reveals distinct mechanisms of IKK activation by TNFa and IL-1b. Molecular Cell 36, 315-325.

  • Xia, Z.P., Sun, L., Chen, X., Pineda, G., Jiang, X., Adhikari, A., Zeng, W., and Chen, Z.J. (2009). Direct activation of protein kinases by unanchored polyubiquitin chains. Nature. 461, 114-119.

  • Skaug, B., Chen, J., Du, F., He, J, Ma, A., and Chen, Z.J. (2011) Direct, non-catalytic mechanism of IKK inhibition by A20. Molecular Cell 44, 559-571.

二、细胞质核酸的先天免疫感知和信号传导

(1)MAVS的发现及其在免疫防御中的作用
NF-κB与另一种转录因子IRF3协同作用,在病毒感染后诱导I型干扰素的产生。病毒感染后,病毒RNA被RIG-I家族的RNA解旋酶检测到。2005年,陈教授团队鉴定出蛋白质MAVS(又称IPS-1, VISA, 或CARDIF)作为RIG-I信号传导的关键适配器。MAVS位于线粒体外膜上,这一定位对于其功能至关重要,因为丙型肝炎病毒的NS3/4A蛋白酶能够有效地将MAVS从线粒体膜上切割,从而抑制干扰素的诱导。通过MAVS敲除小鼠进一步证实了MAVS在抵御RNA病毒中的关键作用。最近,陈教授团队发现RIG-I通路在检测共生细菌RNA和维持肠道稳态中也起着重要作用。
图2. MAVS 是一种线粒体抗病毒信号蛋白
代表性论文:

  • Seth, R.B., Sun, L., Ea, C., and Chen, Z.J. (2005) Identification and characterization of MAVS: a mitochondrial antiviral signaling protein that activates NF-κB and IRF3. Cell 122, 669-682.

  • Li, X-D., Sun, L., Seth, R.B., Pineda, G., and Chen, Z.J. (2005) The Hepatitis C Virus Protease NS3/4A Cleaves MAVS off the Mitochondria to Evade Innate Immunity. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A102, 17717-17722.

  • Sun, Q., Sun, L., Liu, H-H., Chen, X., Seth, R.B., Forman, J. and Chen, Z.J. (2006) The specific and essential role of MAVS in antiviral innate immune responses. Immunity 24, 633-642.

  • Bhoj, V.G., Sun, Q., Bhoj, E., Somers, C., Chen, X., Torres, J-P., Mejias, A., Gomez., A., Jafri, H., Ramilo, O., Chen, Z.J. (2008). MAVS and MyD88 are essential for innate immunity but not cytotoxic T lymphocyte response against respiratory syncytial virus. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 105, 14046-14051.

  • Li, X.D., Chiu, Y.H., Ismail, A.S., Behrendt, C.L., Wight-Carter, M., Hooper, L.V., and Chen, Z.J. (2011). Mitochondrial antiviral signaling protein (MAVS) monitors commensal bacteria and induces an immune response that prevents experimental colitis. Proc Natl Acad Sci U S A108, 17390-17395.

(2)RIG-I–MAVS通路中的信号传导机制
陈教授团队的近期研究集中在RIG-I通路的信号传导机制上。通过开发一种细胞自由系统,从检测病毒RNA到激活IRF3,陈教授团队发现泛素化在RIG-I的激活中也起到了关键作用。具体来说,RIG-I在与RNA结合后发生构象变化,暴露出其N端CARD结构域,这些结构域随后与未锚定的K63多泛素链结合。这种结合促进了RIG-I四聚体的形成,进而与MAVS相互作用并促进MAVS聚集。令人惊讶的是,MAVS的聚集通过类似朊蛋白的机制催化了线粒体上其他MAVS的聚合。电子显微镜解析了MAVS聚集体的结构,表明这种朊蛋白样机制是细胞信号传导中的普遍机制。这些MAVS的朊蛋白样纤维招募了多种泛素E3连接酶,包括TRAF2、TRAF5和TRAF6,从而有效激活胞质激酶IKK和TBK1,分别导致NF-κB和IRF3的激活。值得注意的是,MAVS被IKK和TBK1磷酸化,从而为IRF3提供了一个结合位点,这种信号诱导的磷酸化为IRF3激活增加了另一层精确调控。
图3. RIG-I 通路的重组揭示了未连接的多泛素链在先天免疫中的信号作用
代表性论文:

  • Zeng, W., Xu, M., Liu, S., Sun, L., Chen, Z.J. (2009) Key role of Ubc5 and K63 polyubiquitination in viral activation of IRF3. Molecular Cell 36, 302-314.

  • Zeng, W., Sun, L., Jiang, X., Chen, X., Hou, F., Adhikari, A., Xu, M., and Chen, Z.J. (2010) Reconstitution of the RIG-I pathway reveals a signaling role of unanchored polyubiquitin chains in innate immunity. Cell 141, 315-330.

  • Hou, F., Sun, L., Zheng, H., Skaug, B., Jiang, Q.X., and Chen, Z.J. (2011). MAVS Forms Functional Prion-like Aggregates to Activate and Propagate Antiviral Innate Immune Response. Cell 146, 448-461.

  • Jiang, X., Kinch, L., Brautigam, C.A., Chen, X., Du, F., Grishin, N., Chen, Z.J. (2012) Ubiquitin-induced oligomerization of RIG-I and MDA5 activates antiviral innate immune response. Immunity 36, 959-973.

  • Liu, S., Chen, J., Cai, X., Wu, J., Chen, X., Wu, Y-T., Sun, L., and Chen, Z.J. (2013) MAVS recruits multiple ubiquitin E3 ligases to activate antiviral signaling cascades. eLife 2:e00785

  • Xu, H., He, X., Zheng, H., Huang, L.J., Hou, F., Yu, Z., de la Cruz, M.J., Borkowski, B., Zhang, X., Chen, Z.J., and Jiang, Q.X. (2014) Structural basis for the prion-like MAVS filaments in antiviral innate immunity. Elife. 3:e01489.

  • Cai, X., Chen, J., Xu, H., Liu, S., Jiang, Q.X., Halfmann, R., and Chen, Z.J. (2014) Prion-like Polymerization Underlies Signal Transduction in Antiviral Immune Defense and Inflammasome Activation. Cell. 156(6):1207-22.

  • Liu, S., Cai, X., Wu, J., Cong, Q., Chen, X., Li, T., Du, F., Ren, J., Wu, Y., Grishin, N., and Chen, Z.J. (2015) Phosphorylation of innate immune adaptor proteins MAVS, STING and TRIF induces IRF3 activation. Science 347, aaa2630.

(3)细胞质DNA诱导干扰素的机制
陈教授团队也对细胞质DNA如何诱导I型干扰素感兴趣,这对于抵御DNA病毒和细胞内细菌的免疫防御非常重要。此外,细胞质自身DNA的不适当存在可能会引发自身免疫疾病。陈教授团队发现富含AT的DNA由RNA聚合酶III转录成携带5’-三磷酸基团的RNA,这些RNA通过RIG-I通路诱导干扰素。然而,大多数DNA通过一种与序列无关的方式诱导干扰素,这种机制依赖于内质网蛋白STING(也称为MITA)。陈教授团队最近表明,在刺激后,STING招募TBK1和IRF3,从而特异性地由TBK1对IRF3进行磷酸化。
图4. 通过 STING 激活 IRF3 的模型
代表性论文:

  • Chiu, Y.H., Macmillan, J.B., and Chen, Z.J. (2009). RNA polymerase III detects cytosolic DNA and induces type I interferons through the RIG-I pathway. Cell 138, 576-591.

  • Tanaka, Y., and Chen, Z.J. (2012). STING Specifies IRF3 Phosphorylation by TBK1 in the Cytosolic DNA Signaling Pathway. Science Signaling 5, ra20.

(4)cGAS-cGAMP通路的发现及其在免疫防御中的作用
陈教授团队鉴定出了cGAS,它能够直接与细胞质DNA结合,形成二聚体,并从GTP和ATP合成cGAMP,该发现也让陈教授团队获得2024年拉斯克奖基础医学研究奖。具有混合磷酸二酯键的cGAMP与STING高亲和力结合,并诱导STING的构象变化和干扰素的表达。陈教授团队生成了cGAS敲除的小鼠和细胞系,利用这些试剂,陈教授团队发现cGAS-cGAMP通路对于抗DNA病毒、逆转录病毒和细菌的免疫应答至关重要。此外,陈教授团队发现cGAS还在DNA酶缺乏小鼠中导致的严重炎症中发挥作用,这表明cGAS也可以被自身DNA激活,并可能导致一些狼疮患者的炎症。
图5.陈志坚教授发现了能够感知外来和自身DNA的cGAS酶而获得拉斯克奖
代表性论文:

  • Wu, J., Sun, L., Chen, X., Du, F., Shi, H., Chen, C., Chen Z.J. (2012) Cyclic GMP-AMP Is an Endogenous Second Messenger in Innate Immune Signaling by Cytosolic DNA. Science 339, 826-830.

  • Sun, L., Wu, J., Du, F., Chen, X., Chen, Z.J. (2012) Cyclic GMP-AMP Synthase Is a Cytosolic DNA Sensor That Activates the Type I Interferon Pathway. Science 339, 786-791.

  • Zhang, X., Shi, H., Wu, J., Zhang, X., Sun, L., Chen, C., and Chen, Z.J. (2013) Cyclic GMP-AMP containing mixed phosphodiester linkages is an endogenous high-affinity ligand for STING. Mol. Cell 51:226-235.

  • Gao, D., Wu, J., Wu, Y-T., Du, F., Aroh, C., Yan, N., Sun, L., and Chen, Z.J. (2013) Cyclic GMP-AMP Synthase Is an Innate Immune Sensor of HIV and Other Retroviruses. Science 341:903-906.

  • Li, X.D., Wu, J., Gao, D., Wang, H., Sun, L., and Chen, Z.J. (2013) Pivotal Roles of cGAS-cGAMP Signaling in Antiviral Defense and Immune Adjuvant Effects. Science 341(6152):1390-4.

  • Zhang, X., Wu, J., Du, F., Xu, H., Sun, L., Chen, Z., Brautigam, C.A., Zhang, X., and Chen, Z.J. (2014) The cytosolic DNA sensor cGAS forms an oligomeric complex with DNA and undergoes switch-like conformational changes in the activation loop. Cell Rep. 6(3):421-30. 

  • Collins, A.C., Cai, H., Li, T., Franco, L.H., Li, X-D., Nair, V.R., Scharn, C.R., Stamm, C.E., Levine, B., Chen, Z.J*., Shiloh, M.U*. (2015) Cyclic GMP-AMP synthase is an innate immune sensor of Mycobacterium tuberculosis DNA. Cell Host Microbe 17, 820-828. *co-corresponding author

  • Gao, D., Li, T., Li, X-D., Chen, X., Li, Q-Z., Wight-Carter, M., and Chen, Z.J. (2015) Activation of Cyclic GMP-AMP Synthase by Self DNA Causes Autoimmune Diseases. Proc Natl Acad Sci U S A. 112, E5699-705.

(5)TLR的新功能和调控
陈教授团队最近关于共生细菌的研究使陈教授团队发现TLR13在检测细菌23S核糖体RNA(rRNA)中的作用。令人惊讶的是,陈教授团队发现TLR13能够识别位于23S rRNA活性位点附近约13个核苷酸的特定序列,该位点催化肽键合成。因此,与其他检测微生物成分“模式”的先天免疫传感器不同,TLR13能够以极高的序列特异性检测细菌RNA。IRF5是一种对于多个TLR免疫信号传导至关重要的转录因子。陈教授团队最近发现,IKKβ通过磷酸化IRF5诱导其二聚化并核转位。
图6. 病毒感染和 LPS 刺激下 IKKβ 依赖的 IRF5 在丝氨酸 445 位点磷酸化
代表性论文:

  • Li, X. and Chen, Z.J. (2012). Sequence specific detection of bacterial 23S ribosomal RNA by TLR13. eLife 1, e00102

  • Ren, J., Chen, X., and Chen, Z.J. (2014) IKKbeta Is An IRF5 Kinase that Instigates Inflammation. Proc Natl Acad Sci USA 111, 17438–17443.

小编总结:

作为全球医学领域的顶级奖项,拉斯克奖素有诺贝尔奖“风向标”之称。统计数据表明,已有48%的拉斯克基础医学研究奖获得者后续赢得了诺贝尔奖。让我们期待陈志坚教授团队能够有更多精彩研究让我们学习,愿不久的将来,诺贝尔诺贝尔生理学或医学奖花落华人学者!
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