腸道病毒71型3D蛋白研究進(jìn)展

喬 喬，王志玉，溫紅玲

腸道病毒71型3D蛋白研究進(jìn)展

喬 喬，王志玉，溫紅玲

目的 EV71感染可引起嬰幼兒手足口病，甚至導(dǎo)致死亡。近年來(lái)由EV71引發(fā)的手足口病一直呈上升的流行趨勢(shì)。目前中國(guó)對(duì)于手足口病的疫苗研究已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，但EV71引起的重癥手足口病的發(fā)病機(jī)制仍不明確。3D蛋白主要負(fù)責(zé)病毒的復(fù)制過(guò)程，是抗病毒藥物的靶點(diǎn)之一。本文就EV71的3D蛋白的結(jié)構(gòu)功能及針對(duì)其作為靶點(diǎn)的抗病毒藥物作一綜述。

EV71；3D蛋白；抗病毒藥物

腸道病毒71型和柯薩奇病毒A16都可引起嬰幼兒手足口病，但EV71引起的手足口病可導(dǎo)致嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥，包括無(wú)菌性腦膜炎，腦干炎，小腦炎和腦脊髓炎等，有較高的致殘率和病死率[1]。1969年美國(guó)加利福尼亞首次分離出EV71后，在世界范圍內(nèi)呈周期性暴發(fā)或流行，主要發(fā)生在亞太地區(qū)，在中國(guó)大陸及臺(tái)灣地區(qū)均有報(bào)道[2-4]，EV71感染引起的手足口病對(duì)公眾健康已構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。我國(guó)衛(wèi)生部已于2008年5月將手足口病列入丙類(lèi)傳染病，所以如何防治EV71等病毒引起的手足口病已成為一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。

1 EV71的蛋白結(jié)構(gòu)和基因結(jié)構(gòu)

人類(lèi)腸道病毒71型屬于小核糖核酸病毒科，腸道病毒屬A組，無(wú)包膜，由60個(gè)原體構(gòu)成的直徑約30 nm的正二十面體，每個(gè)原體都由VP1，VP2，VP3和VP4 4種結(jié)構(gòu)蛋白構(gòu)成[5]，其中VP1，VP2，VP3在病毒外側(cè)，VP4在病毒內(nèi)側(cè)。VP1是病毒進(jìn)入細(xì)胞的關(guān)鍵，且包含多個(gè)抗原決定簇。病毒殼內(nèi)是一條單股正鏈RNA，約有7 500個(gè)核苷酸。RNA上僅有1個(gè)開(kāi)放閱讀框架(ORF)，編碼1個(gè)含有2 193個(gè)氨基酸的多聚(蛋白，該多聚蛋白可進(jìn)一步水解為P1、P2、P3 3個(gè)前體蛋白，并被自身產(chǎn)生的2C蛋白酶和3C蛋白酶切割成11個(gè)結(jié)構(gòu)蛋白和非結(jié)構(gòu)蛋白，其中P1基因編碼VP1、VP2、VP3、VP4 4個(gè)結(jié)構(gòu)蛋白，P2、P3基因分別編碼2A、2B、2C和3A、3B、3C、3D 7個(gè)非結(jié)構(gòu)蛋白[5]。ORF兩側(cè)為5(和3(非編碼區(qū)(UTRs)，在3(UTRs有多聚腺苷酸(polyA)尾，在5(UTRs共價(jià)結(jié)合一個(gè)小分子量蛋白VPg(3B)。

2 3Dpol的一級(jí)結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)

在小核糖核酸病毒中，脊髓灰質(zhì)炎病毒(PV)的3Dpol的晶體結(jié)構(gòu)于2004年首個(gè)被解析出，腸道病毒71型的3D蛋白結(jié)構(gòu)也于2010年也被解析出，分辨率為2.4。以FMDV為例，其3D蛋白晶體結(jié)構(gòu)像人的右手手掌，有3個(gè)結(jié)構(gòu)域，分別為“手掌”，“拇指”和“手指”，手指結(jié)構(gòu)域和拇指結(jié)構(gòu)域通過(guò)N-端結(jié)構(gòu)域相連[5]。除此之外，在3D蛋白分子的背面有一條帶正電荷的渠道，這個(gè)帶正電荷的結(jié)構(gòu)可利于打開(kāi)與之結(jié)合的RNA的2級(jí)結(jié)構(gòu)[6]，且這些帶正電荷的氨基酸可與NTPs相互作用，并形成一個(gè)保守區(qū)域(motif F)?！笆终啤苯Y(jié)構(gòu)域核心為3個(gè)反平行的β折疊，外圍是3個(gè)α螺旋，這個(gè)結(jié)構(gòu)是已知的核苷酸聚合酶結(jié)構(gòu)中高度保守的[6]。所有小核糖核酸病毒的3D聚合酶的“手掌”結(jié)構(gòu)域都具有催化位點(diǎn)。除了基序F以外，3Dpol仍有5個(gè)保守區(qū)域，分別為Motif A、B、C、D、E。其中，Motif A與B負(fù)責(zé)核苷酸的識(shí)別與結(jié)合，Motif A與C負(fù)責(zé)磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移，Motif C上含有體現(xiàn)RdRp功能特征的保守序列GDD[7]，Motif D維持手掌結(jié)構(gòu)域的完整，Motif E是結(jié)合引物的區(qū)域。 “手掌”、“手指”、“拇指”3個(gè)結(jié)構(gòu)域構(gòu)成閉合的右手狀，其中食指、環(huán)指、小指形成與單鏈模板RNA結(jié)合的孔道并向位于手掌結(jié)構(gòu)域的活性位點(diǎn)延伸，而引物與拇指結(jié)構(gòu)域相作用。EV71的3D聚合酶在Mn2+存在條件下有活性，在Co2+存在時(shí)幾乎沒(méi)有活性，在Mg2+、Ca2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+或Zn2+存在時(shí)完全沒(méi)有活性。體外轉(zhuǎn)錄活性研究表明，EV71 3D可以利用雙核苷酸和十核苷酸 RNA 作為引物，以 poly(C)和基因組 RNA 為模板從頭起始轉(zhuǎn)錄，DNA引物如寡聚dT15可以增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄活性[8]。

3 3Dpol與病毒復(fù)制

3D聚合酶是RNA依賴(lài)的RNA聚合酶(RdRp)。RNA復(fù)制的起始過(guò)程主要分為兩種：非引物依賴(lài)型(de novo)和引物依賴(lài)型[9]。非引物依賴(lài)型的起始過(guò)程至少需要以下4種物質(zhì)：(1)RNA依賴(lài)的RNA聚合酶；(2)具有病毒特異性起始核苷酸的RNA模板；(3)起始三磷酸核苷；(4)NTPs。首先是在起始三磷酸核苷和NTPs之間形成磷酸二酯鍵。起始核苷酸為下一個(gè)核苷酸提供3′-OH。De novo的優(yōu)點(diǎn)在于復(fù)制過(guò)程中沒(méi)有遺傳物質(zhì)的丟失，不需要額外的酶去合成引物以及斷開(kāi)RNA模板鏈和新合成的RNA鏈之間的區(qū)域。大多數(shù)情況下，de novo起始過(guò)程結(jié)束后就是延伸，但有的時(shí)候de novo過(guò)程會(huì)生成無(wú)效的RNA產(chǎn)物或是之后作為引物的短的RNA寡核苷酸[10]。引物依賴(lài)型的起始過(guò)程需要一個(gè)寡核苷酸或者是蛋白質(zhì)作為引物：(1)從mRNA的5(UTRs帽子結(jié)構(gòu)切下來(lái)的寡核苷酸作為引物；(2)RdRp在RNA合成過(guò)程中中斷形成的RNA小片段作為引物；(3)模板RNA的3(UTRs折返回來(lái)作為引物；(4)蛋白質(zhì)作為引物是由氨基酸提供羥基。小核糖核酸病毒都是以VPg這個(gè)蛋白質(zhì)作為引物開(kāi)始RNA的復(fù)制過(guò)程[6]。VPg被3D聚合酶尿苷酸化是RNA復(fù)制的起始，對(duì)于VPg介導(dǎo)的FMDV的RNA復(fù)制起始機(jī)制研究的已經(jīng)很清楚[11]。小核糖核酸的復(fù)制起始于兩個(gè)UMP分子連續(xù)吸附在VPg的Try3的羥基上，然后3D通過(guò)一種滑回機(jī)制使用一個(gè)內(nèi)部的染色體組的莖環(huán)結(jié)構(gòu)作為模板來(lái)催化VPg成為引物。FMDV的3D和尿苷酸化以及未尿苷酸化的VPg形成的復(fù)合物都顯示VPg占據(jù)在3D聚合酶中間的渠道中。Try3的羥基作為核苷酸引物的3′端自由羥基的分子類(lèi)似物被放置在核苷的活性位點(diǎn)，從而啟動(dòng)了復(fù)制過(guò)程。EV71的復(fù)制過(guò)程還不甚明了，但同作為小核糖核酸病毒科，EV71與FMDV的復(fù)制起始機(jī)制相差不多。有研究發(fā)現(xiàn)[12]，EV71的3D聚合酶的拇指結(jié)構(gòu)域上的Site-311是VPg連接的位點(diǎn)，且EV71的VPg尿苷酸化是一個(gè)3Dpol的雙分子機(jī)制，也就是一個(gè)3Dpol分子提供VPg的Try3的羥基連接到另一個(gè)3Dpol分子的聚合酶活性位點(diǎn)，這種方式輪流催化了VPg→VPg-pU的轉(zhuǎn)換。對(duì)Site-311進(jìn)行突變可減少VPg的尿苷酸化，這對(duì)于EV71的復(fù)制是致命的，所以預(yù)測(cè)Site-311是一個(gè)潛在的抗病毒靶點(diǎn)。3D聚合酶上的“手掌”、“手指”和“拇指”三個(gè)結(jié)構(gòu)域的保守區(qū)域都對(duì)穩(wěn)定VPg起到了重要作用。Motif F帶正電的核苷酸也參與尿苷酸化的過(guò)程，保證了VPg和UMP在催化反應(yīng)中的正確構(gòu)象。兩個(gè)二價(jià)陽(yáng)離子和Motif A和C的天冬氨酸殘基一起催化尿苷酸化反應(yīng)。RNA延伸過(guò)程是基于有序的核苷酸添加反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)是引物鏈3′UTRs羥基對(duì)核苷三磷酸的α磷酸基進(jìn)行親核攻擊，這導(dǎo)致了磷酸二酯鍵的形成和焦磷酸(PPi)的釋放。根據(jù)兩個(gè)金屬模型催化作用，一個(gè)金屬會(huì)降低引物3′UTRs羥基的pKa值，使得其去質(zhì)子化，另一個(gè)金屬會(huì)正確引導(dǎo)三磷酸進(jìn)入核酸的方向。據(jù)此得出假設(shè)，PPi是在釋放之前被質(zhì)子化的。有研究結(jié)合不同聚合酶模型的誘變分析和核酸動(dòng)力學(xué)得出：聚合酶的活性位點(diǎn)上的帶正電的氨基酸為PPi的質(zhì)子化提供質(zhì)子[13]。因此，3D聚合酶催化VPg的尿苷酸化是RNA復(fù)制的起始，且聚合酶活性位點(diǎn)為PPi的質(zhì)子化提供質(zhì)子導(dǎo)致PPi的釋放，從而促進(jìn)了RNA的延伸。

4 3Dpol作為抗病毒藥物靶點(diǎn)

3Dpol是以RNA為復(fù)制模板的RNA聚合酶，目前還沒(méi)有針對(duì)3Dpol的特異藥物，但是由于3Dpol是EV71復(fù)制的關(guān)鍵，所以設(shè)計(jì)針對(duì)3Dpol靶點(diǎn)的藥物對(duì)于抑制EV71的復(fù)制很重要?，F(xiàn)在使用的對(duì)抗小核糖核酸病毒的藥物多為廣譜抗病毒藥，如核苷類(lèi)似物：Ribavirin和2(-C-methylcystidine[14-17]，還有非核苷類(lèi)似物，如DTriP-22，它是一種包含哌嗪的吡唑嘧啶衍生物。有的研究表明，包含哌嗪的吡唑嘧啶衍生物對(duì)抗EV71有效，且吡唑嘧啶上包含一個(gè)苯基，哌嗪包含一個(gè)疏水的二芳基甲基對(duì)于抗病毒作用意義更大。DTriP-22與其他的衍生物相比其抗EV71活性的效果更好[19]，因此被選為抗EV71藥物。DTriP-22的抗EV71活性已通過(guò)不同的病毒滴度進(jìn)行評(píng)估，在RD細(xì)胞中病毒感染復(fù)數(shù)(MOI)分別為0.001、0.1和1PFU/cell時(shí)，DTriP-22都具有抑制EV71的能力。在MOI為0.001 PFU/cell和1 PFU/cell時(shí)其EC50分別為0.023和0.16 μmol·L-1[18]。DTriP-22作用于3D聚合酶的位點(diǎn)是R163K，比較分析腸道病毒屬136株病毒，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域很保守，晶體結(jié)構(gòu)表明Arg-163位于“右手”結(jié)構(gòu)的“環(huán)指”結(jié)構(gòu)域，此結(jié)構(gòu)域包含有Arg-163、Lys-167和Arg-174這幾個(gè)堿性氨基酸殘基，這些堿性氨基酸殘基與RNA復(fù)制中即將參與的核苷三磷酸相互作用，DTriP-22通過(guò)阻止核苷酸進(jìn)入3D聚合酶的空穴結(jié)構(gòu)而抑制RNA鏈的延伸[19-20]。Huang等研究表明金黃三羧酸(ATA)通過(guò)抑制3D聚合酶的延伸活性從而抑制EV71的復(fù)制，其抑制EV71的細(xì)胞病變效應(yīng)(CPE)的EC50是2.9 μmol·L-1，CC50大于211 μmol·L-1[21]。DTriP-22與ATA是抗EV71機(jī)制很明確的藥物，除此之外，Chern[18]等合成了化合物pyrazolo [3,4-d]pyrimidines，具有抗EV71的作用，其EC50為0.32～65 μmol·L-1，CC50大于 25 μmol·L-1。還有研究[22]表明從植物中提取的raoulic acid也具有抗病毒作用。其EC50小于0.1 μg·mL-1。

5 小 結(jié)

EV71的3D聚合酶主要參與病毒的復(fù)制過(guò)程，其機(jī)制尚不明確，尤其是RNA與宿主細(xì)胞蛋白的相互作用仍不清楚。

抗EV71 3D聚合酶的藥物已有研究，但尚未有理想的抗病毒藥物。目前仍需深入研究潛在的抗病毒靶點(diǎn)，研制新藥。其次，要將設(shè)計(jì)活性高、毒性低的抗病毒藥物與對(duì)現(xiàn)存藥物的修飾相結(jié)合研制出有效的抗EV71藥物并發(fā)展有臨床效果的中藥。然后，將作用于病毒復(fù)制不同過(guò)程和不同靶點(diǎn)的藥物進(jìn)行復(fù)合治療，有望得到良好效果。

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Wen Hong-ling, Email: wenhongling@sdu.edu.cn

Advances research in 3D protein of Enterovirus 71

QIAO Qiao,WANG Zhi-yu,WEN Hong-ling

(DepartmentofVirology,SchoolofPublicHealth,ShandongUniversity,Jinan250012,China)

EV71 infection can cause infant hand, foot and mouth disease, and even lead to death. In recent years, the hand, foot and mouth disease caused by EV71 has been on the rise trend. The research in vaccine of hand, foot and mouth disease has entered the stage of clinical trials at present in China, but the pathogenesis mechanism of EV71 is still not fully understood. The 3D protein that is mainly responsible for viral replication process is one of the targets of anti-viral drugs. This paper makes a review about the structure and function of the 3D protein of EV71 and aimed at it as a target of antiviral drugs.

EV71; 3D protein; anti-viral drugs

10.3969/cjz.j.issn.1002-2694.2015.08.016

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.81371833)；山東省醫(yī)藥衛(wèi)生科技發(fā)展計(jì)劃(No.2013WS0211)聯(lián)合資助

溫紅玲，Email: wenhongling@sdu.edu.cn

山東大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院病毒學(xué)研究室，實(shí)驗(yàn)畸形學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250012；

Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 81371833) and the Medical and Health Science and Technology Development project(No. 2013WS0211)

R373

A

1002-2694(2015)08-0763-03

2014-10-09；

2015-01-21