陳 思,張麗穎,蔣洪忠,任林柱
(吉林大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,吉林長春 130062)
豬流行性腹瀉病毒(Porcine epidemic diarrhea virus,PEDV)屬于套式病毒目(Nidovirales)、冠狀病毒科(Coronaviridae)、冠狀病毒屬(Coronavirus)α冠狀病毒(Alphacoronavirus)。該病毒主要感染豬腸道上皮,導(dǎo)致絨毛萎縮、吸收不良,引起新生仔豬急性腹瀉、嘔吐、脫水和高病死率。PEDV主要通過糞-口直接接觸傳播,也可形成氣溶膠并通過糞-鼻途徑傳播[1]。
豬流行性腹瀉在20世紀(jì)70年代后期首次出現(xiàn)在英國和比利時(shí)[2]。我國于1973年首次報(bào)道豬流行性腹瀉病例;隨后,包括韓國和日本在內(nèi)的其他亞洲國家也相繼暴發(fā)該病[2]。2010年10月之后我國開始大規(guī)模暴發(fā)該病[2]。目前,PEDV已成為亞洲仔豬腹瀉的主要原因,是世界上最嚴(yán)重的豬病毒性疾病之一,給生豬行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響,造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。
本文主要針對(duì)國內(nèi)外近期在PEDV的組織和細(xì)胞嗜性、細(xì)胞受體、入胞方式、細(xì)胞蛋白酶方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為后續(xù)PEDV的研究提供參考。
病毒在特異組織和細(xì)胞中的復(fù)制能力是決定其組織嗜性的重要因素。PEDV在腸道具有組織嗜性,哺乳豬感染急性PEDV的12 h~24 h內(nèi),PEDV主要感染空腸和回腸,其次是空腸近端和十二指腸[3]。幽門不是急性PEDV感染的部位,而大腸的絨毛腸細(xì)胞經(jīng)常被感染,但感染的結(jié)腸上皮細(xì)胞無壞死病變。與結(jié)腸腸上皮細(xì)胞不同的是,PEDV感染的小腸絨毛腸上皮細(xì)胞會(huì)發(fā)生急性壞死并從固有層剝落,導(dǎo)致小腸中明顯的絨毛萎縮或融合[1]。PEDV可能不會(huì)在體內(nèi)誘導(dǎo)腸道絨毛腸細(xì)胞凋亡,但體外感染PEDV的非洲綠猴腎細(xì)胞(Vero細(xì)胞)會(huì)發(fā)生凋亡[1]。
PEDV感染早期定位在小腸的絨毛-隱窩界面,而不是在絨毛尖端中。PEDV最先感染未成熟的腸細(xì)胞,隨后感染至空腸上部,直至感染整個(gè)空腸的絨毛上皮[1]。除了通過糞-口傳播,PEDV還能夠經(jīng)過鼻腔黏膜下的樹突狀細(xì)胞的攝取進(jìn)入鼻腔黏膜固有層,隨后攝取PEDV后的樹突狀細(xì)胞遷移至附近淋巴結(jié),通過病毒突觸將PEDV傳遞給淋巴細(xì)胞,而后攜帶PEDV的淋巴細(xì)胞又能經(jīng)淋巴循環(huán)和血液循環(huán)遷移至腸黏膜,并將病毒傳遞給腸上皮細(xì)胞引起致病[3]。PEDV在體內(nèi)除主要感染豬小腸上皮細(xì)胞外,還感染杯狀細(xì)胞和隱窩干細(xì)胞[4],也能夠在仔豬鼻腔上皮中進(jìn)行低水平復(fù)制[3]。
PEDV的S蛋白既具有受體結(jié)合能力又具有膜融合能力,S蛋白是決定組織和細(xì)胞嗜性以及宿主范圍的關(guān)鍵因素,但PEDV的細(xì)胞適應(yīng)性差。自PEDV發(fā)現(xiàn)以來,科研人員嘗試了很多方法將病毒適應(yīng)于細(xì)胞培養(yǎng)。1984年宣華等首次報(bào)道了在胎豬腸組織單層細(xì)胞上培養(yǎng)PEDV,但因胎豬腸組織不易獲得,未得到廣泛應(yīng)用。直到1988年,Hofmann等通過向Vero細(xì)胞培養(yǎng)基中添加胰蛋白酶,使PEDV成功適應(yīng)于Vero細(xì)胞。其后,日本和韓國也相繼報(bào)道PEDV在Vero細(xì)胞上培養(yǎng)成功。我國李樹根、錢永清等也成功地在體外實(shí)現(xiàn)PEDV的細(xì)胞培養(yǎng)。
目前PEDV的分離培養(yǎng)多數(shù)需要在細(xì)胞培養(yǎng)基中添加胰蛋白酶,可能是由于蛋白酶在PEDV侵入細(xì)胞和細(xì)胞釋放PEDV病毒粒子方面起著重要作用。但是,不同來源的PEDV或Vero細(xì)胞適應(yīng)株對(duì)胰酶的抵抗力不一致,有的病毒經(jīng)過高代次傳代培養(yǎng)后已不具備胰酶依賴性。研究發(fā)現(xiàn),胰蛋白酶通過將S蛋白切割為S1和S2亞基,使PEDV能夠在體外復(fù)制[5]。胰酶識(shí)別切割S蛋白的裂解位點(diǎn)在S2區(qū)的890位氨基酸,裂解后的S2可以促進(jìn)病毒與宿主細(xì)胞膜融合,利于病毒粒子的入侵[6]。隨后,PEDV可使受感染細(xì)胞裂解,導(dǎo)致細(xì)胞膜空泡化和合胞體形成[7]。
適應(yīng)Vero細(xì)胞的PEDV可以在不同種類的細(xì)胞系中增殖。Liu等將仔豬中分離的PEDV Ohi VBS2株在Vero CCL-81細(xì)胞中進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng),隨后用該細(xì)胞適應(yīng)的PEDV分別感染PK-15、豬睪丸細(xì)胞(swine testicle,ST)、人肝癌細(xì)胞(human hepatocellular carcinomas,Huh-7)、人胚肺成纖維細(xì)胞(human embryonic lung fibroblasts,MRC-5)、Vero CCL-81和蝙蝠肺細(xì)胞(bat lung,Tb1-Lu)等,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Vero CCL-81細(xì)胞適應(yīng)的PEDV可以感染上述細(xì)胞系,提示PEDV能夠感染豬源、猴源、人源及蝙蝠源的細(xì)胞系[8]。結(jié)合基因組進(jìn)化分析結(jié)果,推測(cè)PEDV可能來源于蝙蝠并且對(duì)包括人在內(nèi)的其他物種都有潛在的感染能力[8]。為探索新的培養(yǎng)方法,研究人員利用仔豬小腸上皮細(xì)胞(intestinal epithelial cell,IEC)成功分離了PEDV流行株,通過與Vero細(xì)胞對(duì)比發(fā)現(xiàn)病毒在添加胰酶的IEC上適應(yīng)細(xì)胞能力更強(qiáng),并可以穩(wěn)定傳代[9]。推測(cè)可能是由于仔豬小腸上皮細(xì)胞是PEDV感染的宿主細(xì)胞,含有大量PEDV結(jié)合受體,例如pAPN等[10]。此外,IEC上的小腸宿主蛋白酶,可能具有類似胰酶的特性,可以促進(jìn)病毒的侵入和增殖,提高PEDV體外培養(yǎng)的適應(yīng)性。
病毒通過吸附、侵入、脫殼、合成、裝配、釋放等環(huán)節(jié)完成增殖,病毒黏附到細(xì)胞膜上是侵入宿主細(xì)胞的第一步,一般是與細(xì)胞表面的特異性受體結(jié)合。冠狀病毒的受體包括多糖類受體和蛋白多肽類受體,其中多糖類受體又包括硫酸乙酰肝素和唾液酸。唾液酸有神經(jīng)氨酸 Neu5Gc、Neu5Ac、Neu5、9Ac2等;蛋白多肽受體有氨基肽酶N (aminopeptidase N,APN)、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(angiotensin-converting enzyme 2,ACE2)、癌胚抗原相關(guān)細(xì)胞黏附分子-1(carcinoembryonic antigen-associated adhesion molecule 1, CEACAM1)和二肽酰肽酶4(dipetidyl peptidase 4,DPP4)等[11]。研究發(fā)現(xiàn),APN可能是PEDV的功能受體[8,10],而Neu5Ac作為輔助受體發(fā)揮作用[8]。
氨基肽酶N(APN)是一種海馬型鋅-氨基肽酶,具有鋅離子依賴性,以頭對(duì)頭的同源二聚體形式錨定于細(xì)胞表面。APN的活性位點(diǎn)和肽結(jié)合通道位于一寬開口的腔中,空腔可能會(huì)進(jìn)一步開放,以結(jié)合暴露的蛋白質(zhì)N末端。活性位點(diǎn)錨定在肽/蛋白質(zhì)的N-末端中性殘基,并且肽結(jié)合通道以不依賴序列的方式結(jié)合其余的肽/蛋白質(zhì)。APN暴露的外表面可與冠狀病毒結(jié)合,但不會(huì)影響其生理功能,從而充當(dāng)冠狀病毒受體。哺乳動(dòng)物的APN多表達(dá)于腸上皮或神經(jīng)系統(tǒng)等組織的細(xì)胞表面,是一種具有多種功能的二聚體細(xì)胞表面胞外酶。
關(guān)于豬源APN(porcine aminopeptidase N,pAPN)是否為PEDV的受體,一直存在爭(zhēng)議。Li B X等[10]利用PEDV分別感染非易感細(xì)胞犬腎細(xì)胞(Madin-Daby canine kidney cells,MDCK)和過表達(dá)pAPN的MDCK細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)PEDV能夠在pAPN過表達(dá)的MDCK細(xì)胞生長,初步確定pAPN為PEDV的功能性受體。此外,通過建立表達(dá)pAPN的轉(zhuǎn)基因小鼠模型,發(fā)現(xiàn)其對(duì)PEDV易感,進(jìn)一步證明pAPN為PEDV的受體[12]。但是PEDV無法在天然表達(dá)pAPN的ST細(xì)胞中復(fù)制,而后者卻對(duì)TGEV非常敏感。因此,有人推測(cè)認(rèn)為,pAPN表達(dá)水平與PEDV感染之間可能存在相關(guān)性。進(jìn)一步研究表明,pAPN受體密度似乎是導(dǎo)致PEDV感染成功的重要因素[13]。Liu C等[8]利用PEDV S蛋白假病毒系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),該假病毒能感染表達(dá)人源APN(hAPN)或pAPN的非易感細(xì)胞MDCK,表明PEDV與APN的相互作用不具有物種特異性。而且,PEDV能感染豬、猴、人、蝙蝠等物種的細(xì)胞系[8],也進(jìn)一步表明PEDV與APN的相互作用并不是特異的,提示PEDV可以跨物種傳播。
近年研究發(fā)現(xiàn),hAPN和pAPN可能不是PEDV的主要功能受體,APN可能通過其蛋白酶活性促進(jìn)PEDV感染,但PEDV感染豬小腸上皮細(xì)胞可能與pAPN不相關(guān)[7,14]。另外,PEDV可以感染Vero細(xì)胞,但Vero細(xì)胞上的PEDV受體需要進(jìn)一步確認(rèn)。Ji C M等利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除Vero細(xì)胞的APN基因后,發(fā)現(xiàn)APN敲除的細(xì)胞系與正常的Vero細(xì)胞感染效率相同,而且構(gòu)建的穩(wěn)定表達(dá)綠猴APN的Vero細(xì)胞系感染PEDV的效率也未見增加,表明Vero細(xì)胞上可能存在其他類型的PEDV受體[7]。使用肝素作為競(jìng)爭(zhēng)劑,發(fā)現(xiàn)肝素預(yù)處理PEDV時(shí),可有效地抑制PEDV感染Vero細(xì)胞的效果,推測(cè)硫酸乙酰肝素可能是PEDV感染Vero的黏附因子,也可能是Vero細(xì)胞對(duì)PEDV易感的原因之一。此外,Vero細(xì)胞本身是干擾素缺陷型細(xì)胞且具有抗高濃度胰酶的特性,也可能是PEDV易感的另一個(gè)原因,這也進(jìn)一步提示pAPN不是PEDV的唯一受體。因此,PEDV可能通過不同受體感染宿主細(xì)胞。
唾液酸是帶負(fù)電荷單糖,普遍存在于細(xì)胞膜表面,唾液酸有很多病毒結(jié)合糖蛋白和糖脂的唾液酸寡糖,由于細(xì)胞外表面上糖鏈中唾液酸分子的介導(dǎo)使病毒進(jìn)入細(xì)胞。除了APN,有研究表明PEDV S1的N末端具有唾液酸結(jié)合活性,S1 NTD與細(xì)胞表面的唾液酸結(jié)合能增強(qiáng)病毒的感染性[15]。通過聚糖陣列篩選,發(fā)現(xiàn)Neu5Ac與PEDV S1的結(jié)合親和力最高[16]。然而,尚不知道唾液酸與S蛋白的結(jié)合如何影響PEDV進(jìn)入細(xì)胞。
多數(shù)病毒的表面蛋白能夠特異性地識(shí)別和結(jié)合細(xì)胞膜表面的受體,進(jìn)而介導(dǎo)病毒的入胞[11]。有囊膜的病毒能直接與細(xì)胞膜發(fā)生膜融合,進(jìn)而將病毒基因組釋放到宿主細(xì)胞質(zhì)中;多數(shù)囊膜病毒是通過宿主細(xì)胞的內(nèi)吞作用,將病毒顆粒包裹在內(nèi)吞小體中并進(jìn)入細(xì)胞。在內(nèi)吞小體中,病毒囊膜與內(nèi)吞小體的膜結(jié)構(gòu)在蛋白酶和低pH環(huán)境下發(fā)生病毒囊膜-內(nèi)體膜融合,使病毒基因組釋放到宿主細(xì)胞質(zhì)中。病毒利用的內(nèi)吞途徑包括網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞、小窩蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞、脂筏介導(dǎo)的內(nèi)吞和巨胞飲作用等。
2014年,Park J E等[17]利用化學(xué)抑制劑和共聚焦方法分析了PEDV侵入Vero細(xì)胞的機(jī)制,發(fā)現(xiàn)PEDV的入胞過程是在網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用之后發(fā)生的,并且依賴于低pH才能成功進(jìn)入細(xì)胞。Wei X N等[18]用不同的PEDV亞型(PEDV GⅠ亞型GDS09株和GⅡ亞型GDS01株)分別感染Vero和IPEC-J2細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)PEDV可以通過網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞、小窩蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞和脂筏介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑進(jìn)入Vero和IPEC-J2細(xì)胞,而且不同亞型PEDV的侵入效率因內(nèi)吞途徑不同而不同。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),不同PEDV亞型之間的差異可能是由于S基因的差異,尤其是S基因的S1區(qū)(同源性約為92 %)與受體結(jié)合效率的不同而導(dǎo)致細(xì)胞進(jìn)入和膜融合效率的不同[19],提示PEDV的刺突蛋白在介導(dǎo)不同方式的內(nèi)吞途徑中各有重要作用。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),PEDV主要通過內(nèi)吞途徑進(jìn)入內(nèi)吞小體,在低pH環(huán)境和組織蛋白酶L的水解作用下引發(fā)病毒表面蛋白構(gòu)象的改變,從而發(fā)生病毒囊膜-內(nèi)體膜融合以及病毒脫衣殼,釋放病毒基因組進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)[19]。
關(guān)于PEDV侵入細(xì)胞的途徑,就目前研究結(jié)果來看,可能與豬德爾塔冠狀病毒的入侵方式類似[20]。一是內(nèi)吞途徑,通過宿主細(xì)胞的內(nèi)吞作用,將病毒顆粒包裹在內(nèi)吞小體中并進(jìn)入細(xì)胞。在內(nèi)吞小體中,病毒囊膜與內(nèi)吞小體的膜結(jié)構(gòu)在組織蛋白酶L、低pH環(huán)境下進(jìn)行融合,使病毒基因組釋放到宿主細(xì)胞質(zhì)中[19]。二是膜融合途徑,通過外源蛋白酶或宿主蛋白酶在病毒和受體結(jié)合后激活S蛋白,然后病毒通過膜融合方式進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中。
蛋白酶在病毒感染中起關(guān)鍵作用,不同的病毒與不同的蛋白酶相互作用從而進(jìn)入細(xì)胞,這在某種程度上決定了病毒的侵入途徑。一般來說,主要有4種細(xì)胞蛋白酶參與冠狀病毒的感染過程。
大量研究表明,跨膜絲氨酸蛋白酶在病毒與細(xì)胞受體結(jié)合后介導(dǎo)病毒侵入。絲氨酸蛋白酶可以激活很多呼吸道冠狀病毒的感染過程。Shirato K等發(fā)現(xiàn)跨膜絲氨酸蛋白酶2(transmembrane protease serine 2,TMPRSS2)可以顯著促進(jìn)PEDV在穩(wěn)定表達(dá)TMPRSS2的Vero細(xì)胞中釋放病毒粒子[21]。Shi W等[22]通過對(duì)Ⅱ型跨膜絲氨酸蛋白酶家族的TMPSS2、鱗癌細(xì)胞差異表達(dá)蛋白酶1(differentially expressed squamous cell carcinoma gene 1,DESC1)、呼吸道胰酶樣蛋白酶(human airway trypsin-like protease,HAT)和鑲嵌式長型絲氨酸蛋白酶(mosaic serine protease large-form,MSPL)蛋白酶進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)TMPSS2和MSPL可與PEDV S蛋白進(jìn)行共定位,且這些蛋白酶可以裂解S蛋白、促進(jìn)病毒與細(xì)胞的融合。Shi等分別建立了穩(wěn)定表達(dá)TMPRSS2和MSPL的Vero/TMPRSS2和Vero/MSPL細(xì)胞系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種細(xì)胞系(尤其是Vero/MSPL)可以代替外源胰蛋白酶用于體外培養(yǎng)PEDV,它們通過激活PEDV S蛋白可以顯著提高病毒滴度,促進(jìn)病毒-細(xì)胞之間的融合[23]。
病毒與細(xì)胞融合進(jìn)入內(nèi)吞體后,溶酶體組織蛋白酶L或組織蛋白酶B即可激活病毒侵入。組織蛋白酶對(duì)SARS-CoV-2、MERS、HCoV-229E、SARS等冠狀病毒均有激活作用[24-26]。利用PEDV S蛋白假病毒系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),PEDV侵入細(xì)胞并不依賴于前蛋白轉(zhuǎn)化酶或細(xì)胞表面蛋白酶,而是被溶酶體半胱氨酸蛋白酶(組織蛋白酶L和組織蛋白酶B)激活從而裂解S蛋白,促進(jìn)S蛋白包裝的假病毒粒子侵入宿主細(xì)胞[27]。同時(shí),組織蛋白酶激活PEDV侵入的效果優(yōu)于胰蛋白酶,而當(dāng)組織蛋白酶被抑制或缺少時(shí),胰蛋白酶則可以替代組織蛋白酶的作用,激活PEDV侵入[27]。
胰蛋白酶是一種消化酶,主要分布在小腸中,可直接裂解許多腸道冠狀病毒的S蛋白,因此,對(duì)PEDV侵入具有一定的促進(jìn)作用。研究發(fā)現(xiàn),大多數(shù)PEDV毒株都高度依賴胰蛋白酶。當(dāng)病毒與其受體結(jié)合時(shí),胰蛋白酶可切割結(jié)合的PEDV S蛋白,而游離病毒顆粒不會(huì)被裂解[28]。這些發(fā)現(xiàn)表明,PEDV S蛋白在與受體結(jié)合并被外源胰蛋白酶切割后可能發(fā)生構(gòu)象變化,從而誘導(dǎo)膜融合[28]。有研究表明,胰蛋白酶識(shí)別S蛋白的裂解位點(diǎn)為S2區(qū)的890位氨基酸,S蛋白的裂解可以促進(jìn)病毒與宿主細(xì)胞膜融合,利于病毒粒子的入侵[6]。但是一些PEDV的Vero細(xì)胞適應(yīng)株在感染細(xì)胞時(shí)并不需要胰蛋白酶,而病毒出芽階段經(jīng)胰蛋白酶處理可在感染的細(xì)胞中引起明顯的細(xì)胞病變作用,導(dǎo)致感染的Vero細(xì)胞形成合胞體,在此過程中胰蛋白酶可以增強(qiáng)其感染性和CPE的形成[28-30]。
弗林蛋白酶(Furin)是一種前蛋白轉(zhuǎn)化酶,位于反式高爾基體網(wǎng)絡(luò)(Trans Golgi Network,TGN)中,也存在于細(xì)胞表面。弗林蛋白酶可以裂解具有特定基序的前體蛋白,以產(chǎn)生具有生物學(xué)活性的成熟蛋白。該酶可以在PEDV的S1/S2位點(diǎn)上切割S蛋白,這種切割對(duì)于S蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞-細(xì)胞融合和宿主細(xì)胞入侵至關(guān)重要。研究人員通過將PEDV S蛋白中的第888位氨基酸(V888)突變?yōu)楦チ值鞍酌缸R(shí)別的裂解位點(diǎn)(VQKR→RQKR),構(gòu)建融合肽N端帶有弗林蛋白酶切割位點(diǎn)的重組PEDV毒株P(guān)EDV-SFCS,結(jié)果發(fā)現(xiàn)PEDV-SFCS可在培養(yǎng)細(xì)胞中復(fù)制,且不依賴胰蛋白酶,但是重組病毒的滴度較低[31]。表明宿主蛋白酶可能具有替代胰蛋白酶的潛力,如果能合理利用可以使得PEDV體外培養(yǎng)無需胰蛋白酶。
PEDV刺突蛋白S決定了病毒的多樣性和宿主嗜性,并介導(dǎo)病毒與宿主細(xì)胞的表面特異性受體結(jié)合和病毒-細(xì)胞膜融合過程;S蛋白還與PEDV的體外生長適應(yīng)情況和體內(nèi)毒力衰減有關(guān)。隨著PEDV突變株的不斷產(chǎn)生,PEDV的入胞過程可能進(jìn)化出多種機(jī)制,而且PEDV可能對(duì)包括人類在內(nèi)的其他物種構(gòu)成潛在威脅。值得注意的是,PEDV進(jìn)入宿主細(xì)胞的途徑可能與所使用的細(xì)胞系和環(huán)境條件也有一定關(guān)聯(lián),因此,利用豬腸小體建立的PEDV感染模型有可能會(huì)更好的模擬PEDV體內(nèi)感染的過程[32-33],而如何提高PEDV體外培養(yǎng)對(duì)細(xì)胞的適應(yīng)性,進(jìn)而提高病毒滴度,是研究者們關(guān)注和急需解決的重要問題之一。因此,構(gòu)建不依賴于胰蛋白酶的通用的PEDV細(xì)胞系,對(duì)于PEDV的分離培養(yǎng)、病毒生物學(xué)研究,防御病毒感染至關(guān)重要。對(duì)于PEDV S蛋白與pAPN受體的深入研究將有助于更好地了解病毒入胞機(jī)制。PEDV入胞機(jī)制的深入研究,也將為靶向入胞途徑的抗病毒藥物設(shè)計(jì)提供靶點(diǎn),并為PEDV的防控提供了新的思路和方向。