在与病毒长期的博弈过程中，生物体进化出了多种天然免疫抗病毒机制，主要可以分为基于蛋白的（protein-based）和基于核酸的 (nucleic acid-based) 抗病毒机制。蛋白依赖的抗病毒机制主要是指B/T细胞以及干扰素的抗病毒免疫，而核酸依赖的抗病毒机制包括大家熟知的CRISPR/Cas和RNA干扰（RNAi）。CRISPR/Cas是细菌和古细菌通过RNA引导的DNA切割（RNA-guided DNA cleavage）来抵抗DNA噬菌体的机制，而RNAi则是主要存在于植物和昆虫体内的RNA介导的RNA切割（RNA-mediated RNA cleavage）的抗RNA病毒感染机制。那么是否还存在其他类型的核酸依赖的抗病毒机制一直是本领域内关注的热点。
近日，中山大学郭德银教授团队在Cell Research上发表了文章Endogenous reverse transcriptase and RNase H-mediated antiviral mechanism in embryonic stem cells，报道了哺乳动物胚胎干细胞中存在一种基于核酸切割的抗病毒新机制。
郭德银教授团队发现，小鼠胚胎干细胞（mESC）中内源逆转录病毒（ERV）编码的内源性逆转录酶（RTase）具有抗RNA病毒感染的功能。与体细胞相比，mESC具有更高的RTase活性，而且其活性随着细胞分化而显著降低。通过化学小分子抑制RTase活性可以促进RNA病毒的复制，而诱导RTase活性则显著抑制病毒在mESC中的复制。进一步研究发现，在RNA病毒感染的mESC中，病毒RNA可以被RTase逆转录为病毒互补DNA（vcDNA）。新生成的vcDNA会与病毒基因组RNA形成DNA:RNA杂合链结构，这种特殊的核酸杂合链能够招募细胞内的RNase H1, 进而对病毒RNA进行剪切，从而抑制RNA病毒在mESC中的复制（图1a）。
图1. 小鼠胚胎干细胞中的ERASE抗病毒机制模型以及几种核酸依赖的抗病毒机制比较
这种新型抗病毒机制依赖于细胞内源性RTase和RNase H活性，研究者将其命名为ERASE（endogenous RTase/RNaseH mediated antiviral system），代表着RNA病毒被细胞内ERASE机制擦除（erased by ERASE）。由于RTase介导的vcDNA产生和病毒RNA切割是ERASE机制抑制RNA病毒感染的关键，因此ERASE可以被视为一种有别于CRISPR/Cas和RNAi的新型核酸依赖的抗病毒机制，其通过DNA依赖的RNA切割（DNA-dependent RNA cleavage）的方式来抵抗RNA病毒在细胞中的复制（图1b）。基于RNAi和CRISPR/Cas9的工作原理，人工设计的siRNA和sgRNA已经广泛用于特异性基因敲低或基因编辑；同理，基于ERASE抗病毒机制，可以通过设计特异的反义寡核苷酸（antisense oligo DNA）用于基因敲低（gene knockdown）或抗病毒治疗。
郭德银教授为本项工作的通讯作者，医学院博士后吴俊玉、博士研究生吴春燕、博士后邢帆和博士后曹流为该论文的并列第一作者。
在同期，高福院士在Cell Research撰文对上述发现进行了评论，题目为ERASE: a novel nucleic-acid based antiviral mechanism。
高福院士认为，郭德银团队发现的胚胎干细胞内ERASE机制是一种全新的基于核酸切割的抗病毒机制，是RNAi和CRISPR抗病毒机制之外又一种核酸依赖的抗病毒机制。该机制的核心部件是内源逆转录病毒编码的逆转录酶和细胞内普遍存在的RNase H，前者在小鼠胚胎干细胞（mESC）能够将病毒RNA逆转录成病毒互补DNA（vcDNA），而后者则将与vcDNA互补的病毒RNA进行切割，从而发挥抗病毒作用。郭德银教授将该机制巧妙地命名为 ERASE（endogenous RTase/RNase H-mediated antiviral system），意指病毒可以通过ERASE清除。生化机制上，ERASE属于DNA介导的病毒RNA切割，而RNAi属于RNA引导的病毒RNA切割，CRISPR属于RNA介导的病毒DNA切割，这些机制跨越了细菌、古细菌、无脊椎动物、植物和哺乳动物，说明了核酸依赖的抗病毒机制的复杂性和广泛性。
该研究的重要意义不仅在于其提出了一种抗病毒新机制，还在于其揭示了细胞内源逆转录酶以及RNaseH能够直接参与抗病毒作用，为研究内源逆转录病毒的功能提供了新的视角。ERASE的发现也加深了对干细胞抗病毒机制的了解，而且不同于分化细胞的抗病毒机制。目前该机制仅在mESC中发现，需要进一步验证在人和其它动物干细胞中的作用。另外，该发现为反义DNA（ASO）治疗提供了理论基础，将会促进该领域的发展。相比，siRNA介导的RNAi已经被广泛用于基因敲低，sgRNA介导的CRISPR/Cas9被用于基因编辑或敲除，而基于ERASE的ASO也有较大的应用前景。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41422-021-00524-7
https://www.nature.com/articles/s41422-021-00568-9
来源：BioArt