當地時間7月3日，世衛組織首席科學家蘇米娅·斯瓦米納坦在新冠肺炎例行發布會上表示，實驗室研究發現，新冠病毒D614G變異可能導緻病毒加速複制，意味着可能增強其傳播性。今天就讓我們從模式識别受體及免疫逃逸的角度來一起探讨病毒與宿主細胞之間的恩怨情仇。

什麼是模式識别受體

模式識别受體（Pattern recognition receptors，PRRs）是機體先天免疫系統的重要組成部分，存在形式多樣，不僅僅在細胞膜上表達，内體膜、溶酶體膜和胞質中也同樣分布廣泛。他們的作用是，監測病毒分子的存在、啟動機體炎症反應和抗病毒免疫的信号傳導通路，使宿主免受感染。病毒入侵宿主細胞後，利用細胞内的堿基成分産生新的病毒基因組，病毒複制中間體的形成和堆積，形成了病毒核酸的主要病原相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMP），而這些分子就是PRRs所識别的對象。

PRRs包括Toll樣受體TLR、RIG-I樣受體（RLR）和NOD樣受體（NLR），這些PRRs通過激活相關抗炎通路誘導細胞因子和幹擾素的産生，從而激發機體的抗病毒反應。目前研究比較多的是通過PRRs監測受感染細胞内的病毒DNA，也有研究表明，RNA聚合酶III（Pol III）可将某些病毒DNA轉錄為RNA，而被宿主RIG-I識别受體所識别，誘導IFN的産生。

病毒激活宿主模式識别受體

病原相關分子模式主要是指病原微生物表面某些共有的高度保守的分子結構，比如TLR3識别dsRNA、TLR4識别LPS（脂多糖），TLR9識别CpG、RIG-I/MDA5（MDA5是胞内模式識别受體，能夠識别入侵病毒RNA鍊，主要在非髓系細胞系中發揮抗病毒作用）識别病毒RNA等，但并不是嚴格的一一對應，如TLR4也可以識别某些病毒的蛋白。

圖1. 宿主模式識别受體與病毒的相互作用（Kiva Brennan and Andrew G Bowie et al. 2010)

該圖展示的是TLR、RLR和新型病毒的PRRs感測病毒的模式。箭頭表示信号轉導路徑，轉錄因子IRF3和NFkB激活，炎性小體産生，最終誘導I型IFN和IL-1β的産生。星号表示每個PRRs在細胞内的位置：*，内體；**，細胞表面；***，胞質的；DBD，DNA結合域；TIR，Toll-interleukin-1受體域。

現在大家對識别病毒的模式識别受體及病原相關分子模式有了大概的認識，那麼接下來我們看一下在胞膜和胞内的PRRs分别有哪些，他們又是怎樣被激活的？

細胞表面TLR：TLR2和TLR4，二者是著名的監測胞外病原體的細胞表面TLR，大家熟知的TLR2識别的是細菌脂肽和各種真菌PAMP，而TLR4主要用來監測革蘭氏陰性菌脂多糖。随着研究的不斷發展，TLR2和TLR4被證明在脾髒和骨髓來源的細胞中對病毒的識别起主要作用，這條路徑被認為是經典的抗病毒反應過程。例如TLR4在牛痘病毒（VACV）免疫中的功能缺乏，會大大增加小鼠的病毒複制能力以及死亡率。

傳統意義上，胞内TLR（TLR3、TLR7、TLR8、TLR9）與細胞表面TLR相比，更能讓機體發揮抗病毒免疫效應，因為他們能夠識别病毒表面的核酸。研究發現，單疱疹病毒1（HSV-1）腦炎患兒的TLR3等位基因為負顯性，中樞神經系統中TLR3的表達對于HSV-1的免疫非常重要。另有一項研究表明，TLR3可以識别疱疹病毒（EBV）中的單鍊非編碼RNA，在被EBV感染的細胞中發現有EBV編碼的小RNA（EBER）可以形成莖環結構，從而産生類似雙鍊RNA（dsRNA）的分子，TLR3在識别EBER中具有重要作用，參與由EBV感染引起的免疫病理疾病。也有數據表明，TLR7對單鍊RNA（ssRNA）有反應，漿細胞、樹突細胞對HIV-1編碼TLR7的配體反應明顯不同，這也是男女HIV-1病程差異的原因之一。

不同PPRs對不同病毒進行監測，激活機體産生炎性小體以及白介素等發揮抗病毒的功能：研究發現黑色素瘤2（AIM2）的表達可以促進炎性小體的産生；通過TBK1激活轉錄因子IRF3這條途徑可以誘導IFNβ的産生，這裡很典型的一個例子是鼠成纖維細胞中DAI的過表達可以增強I型幹擾素的表達并誘導其他與DNA反應相關的先天免疫基因的産生。這些均表明，在病原體感染機體的過程中，PRRs被激活，誘發炎性通路等抗病毒反應因子的激活，而這些，對于後期募集免疫細胞對病毒進行攻擊非常重要。

模式識别受體如何分辨敵友

病毒激活PPRs，抗病毒通路被激活，免疫反應啟動病毒抗擊模式，但是，PRRs是怎樣将病毒核酸和自身核酸巧妙的區分開呢？如果不能區分開又會産生怎樣的損傷效應呢？

我們已經知道病毒複制導緻複制中間體在受感染細胞的細胞質中積累，誘發PRRs發揮功能，例如RIG-I樣受體和各種其他的DNA傳感器（DAI，DExD/Hbox家族解旋酶等），AIM2受體和cGAS，這些對胞質核酸敏感的PRRs引起機體局部抗病毒反應，先天性免疫細胞如樹突狀細胞（DC）被募集到感染部位，通過Toll樣受體等感測感染性物質，監測PAMP并進行捕捉。PAMP介導的PRR調節DC活性被證明對啟動針對入侵病原體的适應性免疫反應至關重要。通過PRR直接激活DC來确保隻有與傳染性生物體直接接觸的DC和當前病原體衍生的抗原才具有誘導T細胞分化為效應細胞的能力。胞質PRR的識别對象是病毒核酸，且這類核酸具有哺乳動物核酸缺少的特征。例如RIG-1識别的短鈍末端dsRNA結構上的5'三磷酸基團和MDA5識别的長dsRNA結構上沒有的核酸。DAI（也稱為DLM-1/ZBP1）最初被描述為一種Z-DNA結合蛋白，可識别病毒DNA，具有觸發幹擾素（IFN）基因刺激物（STING）上遊的細胞質DNA傳感的能力。TLR介導的核酸識别依賴存在于自身核酸中的分子模式。這表明免疫系統可以在正常情況下阻止自身核酸的刺激，但是在病理情況下，核酸敏感的PRR可以觸發先天性免疫激活。因此，由自身核酸引起的異常PRR激活具有驅動自身免疫誘導的風險。

在這篇綜述中，研究者将讨論免疫系統如何在内體TLR水平上區分病毒核酸和自身核酸，以及在生理條件下，由TLR介導的自身核酸感應驅動的預防自身免疫誘導的機制。一旦被募集到溶酶體區室，TLR在被駐留的pH依賴性蛋白酶切割後就具有功能活性。TLR到達溶酶體區室時被裂解，防止了其在細胞中其他位置定位，或在細胞表面上的自身核酸對核酸傳感TLR的活化，目前認為，這是防止在生理條件下通過self-agonists對TLR異常活化的一種機制。但是，一旦TLR通過蛋白水解作用來發揮功能，它們就無法根據結構差異區分病毒核酸和自身核酸，但TLR3除外。TLR3以不依賴序列的方式識别病毒dsRNA，通過感染細胞中存在的基因組dsRNA或dsRNA複制中間體的形式來識别病毒dsRNA。因此，病毒dsRNA代表一種真正的PAMP，可讓免疫系統區分病毒RNA和自身RNA分子。

圖2. 攝取病原體和死細胞的機制（Eva Brencicova and Sandra S. Diebold, 2013）

來自病原體和死細胞的物質通過相同的攝取機制被細胞攝取，包括Fc受體、補體受體和清道夫受體介導的攝取。Fc受體和補體受體介導的攝取分别需要事先用抗體和補體因子進行處理，抗原呈遞細胞（APC）活化受到物質來源和吸收途徑的嚴格調節和影響。來自垂死的未感染細胞的物質攝取又激活了許多調節途徑，這些調節途徑減弱了促炎性免疫原性APC的活化。相反，病原體或病原體來源物質的攝取導緻APC的促炎性免疫原性激活。也就是說，病毒入侵細胞，可以通過多種途徑來逃避被PRR劫持的風險，而機體也進化出了各種PRRs機制，使得宿主能夠有更好抗擊外來物的能力。從這個角度來說，機體免疫是一個動态的進化過程，正确的識别可以幫助機體抗擊病毒，而錯誤的識别則會造成自身免疫性疾病等危害。

而新冠病毒是否來得及應對機體PRRs的劫持，它的入侵會讓宿主啟動怎樣的自身保護機制呢？

新冠病毒感染後由PRRs介導的免疫應答

研究者在一項回顧性的研究中發現，新冠肺炎重度患者總的T細胞數量明顯減少，主要是介導抗原特異性免疫反應的記憶T細胞，而這也從一定程度上增加了新冠肺炎痊愈患者複發的可能。從PRRs識别病毒的角度來說，新冠病毒感染激活的抗病毒應答途徑分别是NF-κB，JAK/STAT：

1. NF-κB/TNFα信号通路

轉錄因子NF-κB是先天免疫和适應性免疫的關鍵調節器。一般條件下，NF-κB被抑制蛋白IκBs保留在細胞質中。多種細胞刺激物，包括病原體，通過蛋白酶體誘導IκB磷酸化泛素化或降解，從而促進NF-κB核易位。在細胞核中，NF-κB誘導廣泛的促炎因子、趨化因子、應激反應蛋白和抗凋亡蛋白的轉錄。NF-κB的活性對于病毒的存活和激活以及産生最佳免疫反應至關重要。據報道，NF-κB活化的加劇與呼吸道病毒（包括SARS-CoV）誘導的肺炎性免疫病理有關。有研究者研究表明，在鼠巨噬細胞系（RAW264.7）中，暴露于病毒的重組S蛋白後，上清液中IL-6和TNF-α呈時間和濃度依賴性地大量釋放，IL-6和TNF-α分泌的增強，依賴于NF-κB的活化，而SARS-CoV-S蛋白與IκBα降解增加有關，這是激活NF-κB信号通路所需的必要步驟。因此，轉染具有抑制NF-κB活性的顯性失活因子NIK可以大大降低RAW264.7細胞中由S蛋白誘導的IL-6和TNF-α的分泌，從而證明NF-κB是SARS-CoV-S 誘導IL-6和TNF-α分泌的必經之路，體内，通過抑制TNF-α的表達，用如caffeic acid phenethyl ester-CAPE、Bay 11-7082、parthenolide等藥物抑制NF-κB的活化，降低感染SARS-CoV小鼠肺部TNF-α、CXCL2、MCP-1的表達來減少炎症。此外，研究者用藥物抑制NF-κB來保護病毒感染的小鼠肺部病理變化及存活率，實驗證明感染SARS-CoV的老年猕猴肺部NF-κB活化增加了NF-κB核易位，并且發現年輕猕猴對病毒感染産生更強的宿主反應，且顯著增加了NF-κB調節的促炎因子的表達。

圖3. SARS-CoV-2驅動的信号通路和潛在藥物靶标的示意圖（Michele Catanzaro et al. 2020）

SARS-CoV-2感染誘導的細胞内信号通路。将作用于這些途徑的選定藥物重新用于調控由該病毒感染引起的細胞因子風暴。

2. IL-6/JAK/STAT信号通路：

JAK/STAT信号轉導的主要激活劑之一是細胞因子IL-6，而在COVID-19患者中細胞因子IL-6顯著增加，伴随着急性炎症反應和細胞因子風暴的發生。據報道，IL-6可以激活大量細胞來表達糖蛋白（gp-130）受體和結合IL-6的膜受體，可溶性的IL-6受體與gp130相互作用，從而促進下遊JAK/STAT信号通路的激活。IL-6是由多種組織産生的，包括活化的巨噬細胞，内皮細胞和平滑肌細胞，在這些組織中IL-6分泌可以刺激巨噬細胞分泌MCP-1并促進動脈粥樣硬化，增加細胞黏附分子的表達，刺激血管平滑肌細胞的增殖和遷移。因此，IL-6的異常升高可能涉及到COVID-19部分患者中觀察到的心血管疾病（例如冠狀動脈粥樣硬化、血管系統炎症導緻彌散性微血管病和血栓形成）的發生。目前已經證明，IL-6的合成和分泌是由血管緊張素II誘導的，而血管緊張素II是以JAK/STAT依賴的方式在發炎的血管中局部産生。SARS-CoV-2可能下調ACE2受體，導緻血管緊張素II的過量産生，進而以AT1/JAK/STAT依賴的方式增強IL-6的産生，最終導緻血管炎症和肺損傷等COVID-19感染的臨床症狀。血管緊張素II/AT1受體也激活NF-κB和ADAM17，而ACE2也是ADAM17的重要底物，據報道ACE2會被ADAM17切割而失活，而增強了血管緊張素II的存在，導緻高血壓、心血管等病理生理的發生。ADAM17除了對ACE2受體脫落有影響外，它也是病毒進入細胞的基礎，ADAM17誘導可将IL-6受體α（IL-6Rα）的膜形式加工成可溶性形式（sIL-6Rα），随後gp130在多種IL-6Rα陰性非免疫細胞中通過sIL-6Rα-IL-6複合物介導STAT3活化，而STAT3的激活是需要由NF-κB通路的誘導。因此，SARS-CoV-2感染可能同時激活NF-κB和STAT3信号轉導，促進STAT3過度激活NF-κB，從而放大IL-6效應，誘發多種炎症和自身免疫性疾病。

圖4. SARS-CoV-2在IL-6和血管緊張素II之間建立炎症反饋回路的假設機制（Michele Catanzaro et al. 2020）

總結

PRRs對外來病原體PAMP、機體自身産生的蛋白質，或病理代謝産物的損傷相關模式分子（DAMP）進行識别取樣，激活細胞内信号轉導和基因表達程序，導緻一系列細胞因子和趨化因子等介質産生，從而引起機體免疫反應。我們通過對PRRs的介紹，分析了PRRs與病毒PAMP之間的關聯，并且回歸到目前的新冠疫情，可以從免疫學的角度更深度的審視新冠病毒給機體造成的損傷機制，病毒變異株傳染性和感染力的增強對我們研發疫苗提出了更多的挑戰，如果我們可以将視野擴展到模式識别受體，是否會讓疫苗和藥物的研發擁有更新的思路呢？

參考文獻：

1. Tan, L. et al. Lymphopenia predicts disease severity of COVID-19: a descriptive and predictive study. Signal Transduct. 2020.

2. Teijaro, J. R. et al. Endothelial cells are central orchestrators of cytokine amplification during inflfluenza virus infection. Cell. 2011.

3. Michele Catanzaro , Francesca Fagiani, Marco Racchi et al. Immune response in COVID-19: addressing a pharmacological challenge by targeting pathways triggered by SARS-CoV-2. Signal Transduction and Targeted Therapy. 2020.

4. Kiva Brennan and Andrew G Bowie. Activation of host pattern recognition receptors by viruses. Microbiology. 2010.

5. Andrew G. Bowie and Leonie Unterholzner. Viral evasion and subversion of pattern-recognition receptor signalling. Nature reviews| immunology. 2008.

6. Eva Brencicova and Sandra S. Diebold. Nucleic acids and endosomal pattern recognition: how to tell friend from foe? Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 2013.

7. Goubau, D., Deddouche, S., and Reis, E. S. C. Cytosolic sensing of viruses. Immunity. 2013.

8. Schwartz, T., Behlke, J., Lowenhaupt, K., Heinemann, U., and Rich, A. Structure of the DLM-1-Z DNA complex reveals a conserved family of Z-DNA-binding proteins. Nat. Struct. Biol. 8, 761–765. 2001.

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