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    副黏病毒V蛋白阻斷干擾素信號通路的分子機(jī)制研究進(jìn)展

    2013-07-04 07:23:38仇旭升陳素娟彭大新
    關(guān)鍵詞:麻疹病毒腮腺炎泛素

    傅 強(qiáng),仇旭升,陳素娟,彭大新,丁 鏟

    (1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院上海獸醫(yī)研究所,上海200241;2.揚(yáng)州大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院,揚(yáng)州225009)

    副黏病毒科(Paramyxoviridae)包括了很多重要的、廣泛存在的對人和動(dòng)物致病的病毒,包括麻疹病毒(Measles virus),呼吸道合胞體病毒(Human respiratory syncytial virus), 仙 臺 病 毒(Sendai virus), 腮 腺 炎 病 毒(Mumps virus),亨德拉病毒(Hendra virus),尼帕病毒(Nipah virus)以及對畜牧業(yè)生產(chǎn)有巨大影響的新城疫病毒(Newcastle disease virus)和牛瘟病毒(Rinderpest virus)。副黏病毒科分為兩個(gè)亞科,副黏病毒亞科(Paramyxovirinae)和肺病毒亞科(Pneumovirinae)。副黏病毒亞科又分為五個(gè)屬,除了較早劃分出來的呼吸道病毒屬(Respirovirus),腮腺炎病毒屬(Rubulavirus)和麻疹病毒屬(Morbillivirus),新增了禽腮腺炎病毒屬(Avulavirus)和亨尼帕病毒屬(Henipavirus)[1]。

    曾經(jīng)將新城疫病毒及其他禽副黏病毒劃分為腮腺炎病毒,主要因?yàn)榍莞别げ《净蚪M具有腮腺炎病毒科的特征,即缺少C蛋白的閱讀框和間隔序列不保守。但是新城疫病毒的P基因及其RNA編輯機(jī)制不同于腮腺炎病毒,卻與呼吸道病毒屬和麻疹病毒屬相似。因此,2002年ICTV將所有禽副黏病毒劃分為一個(gè)新的屬——禽腮腺炎病毒屬[2]。副黏病毒為單鏈負(fù)股RNA病毒,編碼的病毒蛋白包括囊膜表面的糖蛋白(fusion glycoprotein,F(xiàn) 和 (haemagglutinin neuraminidase protein,HN,HN), 核 蛋 白(nucleocapsid protein,NP), 基質(zhì)蛋白(matrixprotein, M)以及病毒RNA依賴的RNA聚合酶的亞基蛋白(RNA-dependent RNA polymerase,L)、磷蛋白(phosphate protein,P)。此外,副黏病毒能夠通過RNA編輯機(jī)制,由P基因額外編碼多種非結(jié)構(gòu)蛋白,一般命名為V蛋白或C蛋白,有的病毒也命名為W,X or Y[3-5]。最新研究表明,這類非結(jié)構(gòu)蛋白,尤其V蛋白,具有很強(qiáng)的干擾素拮抗功能[6]。

    干擾素(Interferon, IFN)是一整套能夠調(diào)節(jié)多種生物反應(yīng)的細(xì)胞因子,其調(diào)控范圍包括免疫調(diào)節(jié),先天性抗微生物反應(yīng),獲得性免疫的增強(qiáng)以及腫瘤抑制等多個(gè)方面。動(dòng)物病毒的感染能夠誘導(dǎo)機(jī)體IFN的產(chǎn)生,而IFN的表達(dá)誘導(dǎo)了機(jī)體的抗病毒作用。甚至,病毒在進(jìn)入宿主細(xì)胞開始轉(zhuǎn)錄之前可能就已經(jīng)受到了抑制。IFN誘導(dǎo)表達(dá)的下游蛋白既能夠調(diào)節(jié)單個(gè)細(xì)胞抗病毒機(jī)制,也參與調(diào)節(jié)整個(gè)機(jī)體的免疫機(jī)制[7,8]。例如,PKR激酶能夠磷酸化蛋白合成起始 因 子 eIF-2 (protein synthesis initiation factor), 從而下調(diào)細(xì)胞內(nèi)mRNA的翻譯水平;2',5' -OAS和RNase L核酶能夠識別和降解病毒RNA;Mx蛋白家族的GTPase可能作用于病毒核蛋白,并且能夠抑制病毒RNA合成;IFN還誘導(dǎo)NO合成酶(iNOS2)和MHC I類分子和II類分子,這些對于整個(gè)機(jī)體的抗感染免疫都有著重要的作用[9]。

    Ⅰ型IFN誘導(dǎo)的抗病毒蛋白基因的活化與表達(dá)是宿主細(xì)胞抵抗病毒入侵的第一道防線[10]。盡管IFN信號對病毒有抑制作用,副黏病毒仍然利用一系列非結(jié)構(gòu)蛋白的拮抗干擾素,在IFN系統(tǒng)健全的宿主中復(fù)制增殖,甚至導(dǎo)致機(jī)體發(fā)病或死亡。近期研究的副黏病毒IFN逃避機(jī)制揭示了其非結(jié)構(gòu)蛋白直接靶向IFN下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的STAT元件的獨(dú)特能力。盡管針對的靶蛋白相似,副黏病毒非結(jié)構(gòu)蛋白對STAT的拮抗機(jī)制具有多樣性。

    1 干擾素信號通路

    干擾素家族(IFN)包括Ⅰ型干擾素(IFN-α,IFN-β)和Ⅱ型干擾素(IFN-γ)。Ⅰ型IFN與宿主細(xì)胞抑制病毒復(fù)制的能力有關(guān),這種抗病毒活性的產(chǎn)生是IFN誘導(dǎo)的細(xì)胞基因表達(dá)水平改變的結(jié)果。細(xì)胞在IFN信號的刺激下進(jìn)入“抗病毒狀態(tài)”,這是一個(gè)多種IFN激活基因被活化,轉(zhuǎn)錄mRNA及蛋白合成的過程,而這些IFN激活基因產(chǎn)物的多樣性對抑制各種病毒家族的感染具有較大作用。

    病毒感染導(dǎo)致的急性反應(yīng)引起Ⅰ型IFN的快速轉(zhuǎn)錄激活,以人源IFN-β基因?yàn)榈湫汀FN是在模式識別受體識別各類病毒復(fù)制過程中的中間產(chǎn)物后介導(dǎo)產(chǎn)生的,如MDA-5識別dsRNA以及Toll樣受體(TLR)識別病毒DNA等[11]。在受到上述信號刺激后,絲/蘇氨酸激酶立即激活效應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子:IRF-3(interferon regulatory factor 3)、AP1(ATF2/c-Jun)以及NF-κB。這些因子迅速運(yùn)動(dòng)到IFN-β增強(qiáng)子附近,從而募集一系列的能重塑染色質(zhì)的增強(qiáng)子和使RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄共激活因子[12]。

    新合成的IFN-β是由最先感染的細(xì)胞分泌的,隨后IFN-β直接結(jié)合到鄰近細(xì)胞表面的I型干擾素受體傳遞信號。與IFN-β結(jié)合后,跨膜受體的細(xì)胞質(zhì)部分被Janus家族酪氨酸激酶磷酸化,募集STAT2與之結(jié)合。隨后,STAT2被磷酸化,隨后募集STAT1,導(dǎo)致其發(fā)生酪氨酸磷酸化[13]。兩種STAT通過SRC同源2結(jié)構(gòu)域-磷酸酪氨酸相互作用,形成異源二聚體,并與IRF9形成異源三聚復(fù)合體-ISGF3(IFN激活基因因子3)后入核[14]。ISGF3在核內(nèi)迅速蓄積,并結(jié)合到IFN-α/β激活基因啟動(dòng)子上保守的IFN激活反應(yīng)元件(ISRE)序列上,大幅增強(qiáng)IFN調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄效率。此外,IRF7是ISG的一個(gè)靶蛋白,能夠與IRF3結(jié)合誘導(dǎo)大量的IFN-α基因的表達(dá)擴(kuò)大IFN反應(yīng)。

    圖1 干擾素信號通路示意圖Fig.1 Schematic of IFN signaling by the JAK-STAT pathway

    2 副黏病毒的非結(jié)構(gòu)蛋白

    根據(jù)RNA編輯原理,額外的鳥嘌呤(G)插入到副黏病毒P蛋白mRNA中的特定序列后引起了閱讀框+1或+2位移,從而導(dǎo)致了V等非結(jié)構(gòu)蛋白的表達(dá)[15]。由于RNA編輯機(jī)制的特性,副黏病毒P和V蛋白的N端相同而C端不同。副黏病毒V蛋白在其C端都含有一段保守的半胱氨酸富集區(qū)[15],稱 為 C 端 結(jié) 構(gòu) 域(C-terminal domain of V protein,CTD)。在副黏病毒之間,這段V蛋白的半胱氨酸富集區(qū)同源性高達(dá)50%,包含7個(gè)保守的半胱氨酸殘基。這個(gè)結(jié)構(gòu)域使V蛋白能夠結(jié)合兩個(gè)鋅原子,與其他真核生物鋅結(jié)合蛋白相似。有趣的是,盡管結(jié)構(gòu)相似,目前并沒有發(fā)現(xiàn)與V蛋白功能相近的真核蛋白,且CTD內(nèi)半胱氨酸殘基之間的氨基酸間隔與所有已知的真核生物鋅結(jié)合結(jié)構(gòu)域(包括RING,PHD或LIM基序)不同[16]。一般認(rèn)為,這一區(qū)域與副黏病毒的宿主逃避機(jī)制相關(guān),但是不同種屬的V蛋白表現(xiàn)出明顯不同的STAT抑制機(jī)制。

    2.1 腮腺炎病毒V蛋白 STAT泛素連接酶STAT蛋白通過可逆的翻譯后修飾,即磷酸化和去磷酸化反應(yīng),循環(huán)于靜默與活化狀態(tài)之間[17]。STAT1和STAT2的半衰期一般長達(dá)幾天[11,18,19],但是在感染腮腺炎病毒科病毒或是表達(dá)腮腺炎病毒V蛋白后,其半衰期大大縮短。在模式病毒感染實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)細(xì)胞感染猴副流感病毒SV5后,或是轉(zhuǎn)染表達(dá)SV5 V蛋白的質(zhì)粒后,細(xì)胞內(nèi)的STAT蛋白蓄積量大幅下降。其他各種腮腺炎病毒的V蛋白也都具有相似的降解STAT的特性[20]。蛋白酶體的化學(xué)抑制劑能夠抑制腮腺炎病毒V蛋白對STAT的降解作用[21]。另外,腮腺炎病毒V蛋白的表達(dá)能夠特異誘導(dǎo)STAT的多聚泛素化。體外實(shí)驗(yàn)表明,細(xì)菌表達(dá)的SV5和HPIV2 V蛋白催化泛素轉(zhuǎn)移的反應(yīng)需要ATP,泛素活化酶(E1)和泛素偶聯(lián)酶(E2)。V蛋白這種固有的酶活性與泛素連接酶(E3)的特性相似,但是在體外實(shí)驗(yàn)中沒有能夠復(fù)制出這種反應(yīng),因?yàn)樗哂械孜镆蕾囆裕话l(fā)生單個(gè)泛素的轉(zhuǎn)運(yùn)而不是產(chǎn)生一條多聚泛素鏈[22]。在表達(dá)V蛋白的完整細(xì)胞中,STAT的多聚泛素化會導(dǎo)致其蛋白酶體依賴的蛋白降解。

    2.2 亨尼帕病毒屬的病毒V蛋白 STAT在細(xì)胞漿大分子復(fù)合體中蓄積亨德拉病毒和尼帕病毒的V蛋白也靶向作用于STAT1和STAT2從而拮抗IFN反應(yīng)。不同的是,亨尼帕病毒屬的病毒V蛋白并不能導(dǎo)致STAT降解,而是導(dǎo)致其在細(xì)胞漿大分子復(fù)合體中蓄積[11]。這種復(fù)合體的形成阻斷了IFN誘導(dǎo)產(chǎn)生的STAT酪氨酸磷酸化[23]。

    除了能夠結(jié)合STAT1和STAT2,亨尼帕病毒屬的病毒V蛋白能夠利用染色體區(qū)維持蛋白1(CRM1)依賴的核輸出信號在胞核胞漿間穿梭。這種穿梭不僅影響了V蛋白的亞細(xì)胞分布,同時(shí)還改變了STAT1的分布狀況。STAT1通常分布于正常細(xì)胞的胞漿和胞核內(nèi),亨尼帕病毒屬的病毒V蛋白的表達(dá)可以使STAT1限制在細(xì)胞質(zhì)中不能入核[11,23]。意外的是,盡管亨尼帕病毒屬的病毒V蛋白的半胱氨酸富集的CTD氨基酸序列與其他副黏病毒高度同源,但是它與IFN信號抑制的關(guān)系不大。

    尼帕病毒V蛋白結(jié)合STAT1的區(qū)域已經(jīng)確定。尼帕病毒V蛋白只與STAT1結(jié)合而不與STAT3結(jié)合,而且只與形成STAT1-STAT2異源二聚體的STAT1結(jié)合[24]。該結(jié)果表明,包含連接結(jié)構(gòu)域和SH2結(jié)構(gòu)域的STAT1片段是亨尼帕病毒屬的病毒V蛋白作用的靶位,這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域?qū)τ赟TAT的活化,二聚體的形成以及DNA的結(jié)合都很重要。

    2.3 麻疹病毒V蛋白抑制STAT的核遷移麻疹病毒,屬于麻疹病毒屬,編碼的V蛋白與腮腺炎病毒和亨尼帕病毒截然不同,氨基酸序列的總的同源性僅為20%。盡管差異很大,麻疹病毒V蛋白也能有效的抑制IFN信號轉(zhuǎn)導(dǎo),但作用機(jī)制與腮腺炎病毒或亨尼帕病毒的V蛋白完全不同[25]。麻疹病毒V蛋白的表達(dá)可以有效抑制IFN-α/β和IFN-γ誘導(dǎo)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄信號。麻疹病毒 V蛋白并不降解STAT也不抑制STAT酪氨酸磷酸化,但是可以有效阻礙STAT1和STAT2入核。不同于亨尼帕病毒,麻疹病毒V蛋白不在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間穿梭,因此也就不改變STAT1的分布模式。

    麻疹病毒感染的細(xì)胞能阻止STAT入核,并且出現(xiàn)細(xì)胞STAT蛋白大范圍的重新分布。在麻疹病毒感染的細(xì)胞中,一部分的STAT1和STAT2被重新分布到胞漿中蓄積[25]。許多病毒都有類似的這種細(xì)胞內(nèi)聚集,包括腮腺炎病毒,其感染細(xì)胞中的STAT2濃縮成胞質(zhì)小體。可以推測,這些小體代表著病毒復(fù)制或組裝的細(xì)胞內(nèi)位點(diǎn),可能暗示STAT會在麻疹病毒復(fù)制中有所作用。

    2.4 呼吸道病毒V蛋白和C蛋白 抑制STAT1和STAT2磷酸化仙臺病毒是研究的最多的呼吸道病毒,也具有逃逸宿主IFN反應(yīng)的機(jī)制。和其他副黏病毒一樣,仙臺病毒具有編碼多種蛋白的多順反子P/V閱讀框,通過不同位置的翻譯起始位點(diǎn)編碼了一套C蛋白(C,C',Y1和Y2)。對V蛋白缺失的重組病毒的研究表明,仙臺病毒V蛋白在感染動(dòng)物后致病中發(fā)揮作用,但其確切功能還不得而知。4種仙臺病毒C蛋白都能阻斷IFN信號。C蛋白IFN逃逸功能的研究已經(jīng)陸續(xù)開展,其多種功能已有文獻(xiàn)報(bào)道。C蛋白可以結(jié)合STAT1,誘導(dǎo)STAT1轉(zhuǎn)移到一種大分子復(fù)[11-26]。還有研究報(bào)道C蛋白可以抑制STAT1以及STAT2酪氨酸的磷酸化。C蛋白可以延遲STAT1酪氨酸的磷酸化,削弱STAT1的絲氨酸磷酸化。值得注意的是,有些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明C蛋白可以引起單個(gè)泛素的連接以及某些鼠源細(xì)胞系STAT1蛋白的降解,而伴隨的是STAT1酪氨酸磷酸化水平升高[27,28]。C蛋白影響IFN反應(yīng)的機(jī)制基礎(chǔ)有待深入研究,以闡明其在宿主逃避機(jī)制中的作用。

    2.5 新城疫病毒V蛋白 降解STAT1新城疫病毒V蛋白的干擾素拮抗機(jī)制尚不清楚,鑒于以前也被劃分為腮腺炎病毒屬,推測其具有類似于腮腺炎病毒屬的V蛋白依賴的IFN信號逃逸機(jī)制[29]。NDV V蛋白的研究開始的比較晚,但目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明V蛋白也具有干擾素拮抗作用。Mebatsion等[30]利用反向遺傳技術(shù)獲得兩株V蛋白缺失毒株,與母本毒株相比,一株缺失6 nt的RNA編輯位點(diǎn),另一株不表達(dá)V蛋白C端結(jié)構(gòu)域。兩株重組病毒在細(xì)胞上的生長受到明顯的抑制,連續(xù)傳代后也不能在9-11日齡的雞胚中生長。Huang等[31]人的研究也獲得了相似的結(jié)果,V蛋白缺失株在DF1細(xì)胞上生長受到抑制,只有在Ⅰ型IFN系統(tǒng)缺失的Vero細(xì)胞上,缺失株的生長狀況才與母本毒株相近。該研究還顯示,NDV V蛋白能導(dǎo)致感染細(xì)胞中STAT1發(fā)生降解,故推測V蛋白可能通過引起IFN信號通路中STAT1的蛋白酶體降解從而拮抗IFN系統(tǒng),其確切機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

    3 小結(jié)

    副黏病毒依賴V蛋白的IFN逃避機(jī)制有所不同,但都靶向STAT蛋白??梢灶A(yù)見,新的副黏病毒以及它們IFN逃逸特性的發(fā)現(xiàn)將揭示新的STAT蛋白拮抗機(jī)制,也會揭示STAT新的功能?,F(xiàn)有研究表明副黏病毒V蛋白可以通過與IFN信號通路中STAT蛋白的相互作用進(jìn)行免疫逃逸,但是其確切機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。副黏病毒V蛋白的功能研究將會給病毒感染及腫瘤治療提供新的思路,同時(shí)為深入研究副黏病毒與宿主細(xì)胞相互作用機(jī)制奠定良好基礎(chǔ)。

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