病毒侵染過程中肌動蛋白的作用研究進展

李 杰， 趙淑玲

(揚州大學生物科學與技術學院， 揚州225100)

肌動蛋白作為細胞骨架和運動系統(tǒng)的重要成分普遍存在于真核細胞中[1]。肌動蛋白由375個氨基酸殘基組成，其分子質量約為42 ku，在細胞中有兩種基本形式：單體的球狀肌動蛋白(G-actin)和多聚體的絲狀肌動蛋白(F-actin)[2]。F-actin為雙股螺旋，由G-actin聚合組裝而成，是真核細胞骨架中微絲的主要組分。在細胞內，Actin纖維形成的微絲網(wǎng)絡主要包括含有肌球蛋白的收縮應力纖維和位于質膜下和細胞器周圍的皮質肌動蛋白網(wǎng)絡。另外，actin纖維也可以形成片狀的延伸結構(如板足)、膜皺褶和氣泡、指狀的突起(如微絨毛和絲足)或點狀的足小體。Actin參與并調控細胞內多種生理過程，包括維持細胞形態(tài)、感知環(huán)境力量、參與膜泡的內化和細胞運動等[3]。病毒作為一種專性活細胞內寄生的微生物，在其識別、結合和進入宿主的過程中涉及的細胞信號轉導、內吞攝取和細胞質轉運等過程直接或間接依賴于細胞骨架[4]。主要介紹肌動蛋白在病毒侵入、復制、釋放及細胞間擴散過程中功能的研究進展，以期為抗病毒研究提供理論依據(jù)。

1 肌動蛋白與病毒進入

病毒侵染細胞時首先與細胞表面結合，然后遷移到特定的位置，隨后穿過細胞膜進入細胞中。在這個過程中，病毒通常會遇到肌動蛋白組裝的各種結構，如絲足和微絨毛，并利用這些結構有效地遷移到細胞膜上進入宿主細胞。Lehmann等[5]發(fā)現(xiàn)病毒與絲足結合后，在進入細胞前會誘導快速且高度有序的側向運動，向細胞體滑動(圖1)?；瑒佑杉拥鞍准毎羌芙閷?，依賴于功能性的肌球蛋白Ⅱ。病毒感染通常會改變細胞的常規(guī)功能，以支持病毒復制和新病毒粒子的產(chǎn)生。因為細胞的形狀、運動、吞噬、細胞間通信等都依賴于肌動蛋白細胞骨架的動態(tài)重組，因此病毒常利用肌動蛋白的結構重排來完成其感染和復制過程。細胞肌動蛋白結構的重排是一個動態(tài)的、快速的過程，由肌動蛋白絲的連續(xù)組裝、拆卸和重新組裝驅動[6]。Melamed等[7]發(fā)現(xiàn)肌動蛋白重排對EB病毒(epstein barr virus，EBV)感染 B 細胞是必不可少的。EBV感染B細胞時，會刺激G-actin向F-actin的轉化，阻止G-actin向F-actin轉化抑制了EBV的增殖。此外，囊泡病毒(Ascovirus)進入細胞時也會引起肌動蛋白細胞骨架的重排[8]。在靜止的CD4 T淋巴細胞中，皮質肌動蛋白被認為是病毒進入和核遷移的獨特物理屏障[9]。Yin等[10]發(fā)現(xiàn)人體免疫缺損病毒(human immunodeficiency virus，HIV)在與質膜融合后，可調節(jié)α-輔肌動蛋白介導的皮質肌動蛋白重排，為病毒進入打開一個“通道”，從而有助于病毒進入靜息CD4 T淋巴細胞。Roberts等[11]表明皰疹病毒(Herpesvirus)在進入細胞時首先遇到宿主肌動蛋白。位于質膜胞質側的皮質肌動蛋白是一個由F-actin組成的網(wǎng)狀結構，通過表面受體連接到細胞表面。在病毒感染的情況下，病毒粒子包膜蛋白與特定的宿主細胞受體結合，最終導致包膜和質膜融合，從而進入細胞質中。

圖1 肌動蛋白參與病毒侵染細胞(根據(jù)文獻[4]修改)Figure 1 Involvement of actin in virus entry (modified according to reference [4])

Trejo-Cerro等[12]發(fā)現(xiàn)Rho家族的兩個重要成員Cdc42和Rac1是輪狀病毒感染所必需的。Rho GTP酶屬于小G蛋白家族，廣泛存在于所有真核生物中，是肌動蛋白細胞骨架的主要調節(jié)因子[13]。Rho GTP酶成員可將跨膜蛋白的分子信號傳遞到肌動蛋白，作為肌動蛋白細胞骨架調控的分子開關，其中RhoA、Cdc42和Rac1是3個關鍵成員。Rac1和Cdc42蛋白在細胞膜突起形成過程中控制肌動蛋白組織，Rac1促進細胞表面周邊的肌動蛋白聚合，產(chǎn)生片狀或層狀突起，而Cdc42調節(jié)纖毛的形成。RhoA促進細胞內肌動蛋白應力纖維合成增加和與局部粘連相關的復合物的形成[14]。Xu等[15]發(fā)現(xiàn)乙型腦炎病毒(Japanese encephalitis virus，JEV)通過小窩蛋白1(Caveolin-1)介導的內吞作用進入人類神經(jīng)元細胞。內吞作用依賴于RhoA和Rac1觸發(fā)的肌動蛋白細胞骨架重塑。首先病毒誘導RhoA激活促進小窩蛋白-1的磷酸化，然后磷酸化小窩蛋白-1激活Rac1，導致病毒在小窩蛋白1相關小泡內的內吞作用。除此之外，埃博拉病毒(ebola virus，EBOV)能夠與網(wǎng)格蛋白重鏈(CHC)共定位，通過網(wǎng)格蛋白介導的內吞作用進入細胞[16]。

2 肌動蛋白與病毒復制

在感染宿主細胞的過程中，病毒首先附著在宿主細胞膜上，進而進入細胞，然后病毒基因組轉運到細胞質或核質中，進行病毒基因組的復制和病毒蛋白質的合成，最后病毒被轉運到質膜處釋放[17]。Ohkawa等[18]發(fā)現(xiàn)當桿狀病毒(Baculovirus)進入細胞后，會誘導形成細長的活性纖維，并與之結合，然后沿著這些纖維運輸?shù)郊毎?。Hirai等[19]發(fā)現(xiàn)抑制肌動蛋白的核質轉運影響了博爾納病毒(borna disease virus，BoDV)在細胞核內的復制。此外，抑制肌動蛋白的核輸出促進了病毒基質蛋白在細胞質內的積累。研究發(fā)現(xiàn)，核肌動蛋白與幾種在細胞核內復制的DNA病毒之間存在關聯(lián)。Feierbach等[20]發(fā)現(xiàn)偽狂犬病病毒(pseudorabies virus，PRV)和1型單純皰疹病毒(herpes simplex virus type 1，HSV-1)感染可誘導核肌動蛋白絲的形成。病毒衣殼蛋白VP26可與肌球蛋白Ⅴ共定位，表明病毒使用基于肌球蛋白的定向運輸沿核肌動蛋白絲傳播。研究也發(fā)現(xiàn)核肌動蛋白和肌球蛋白在腺病毒(Adenovirus)復制過程中起重要作用，腺病毒DNA在細胞核中復制時將肌動蛋白以及肌球蛋白Ⅰ、Ⅴ和Ⅵ招募到病毒DNA復制的位點，從而促進病毒的復制[21]。同時，病毒自身的蛋白也能隨著肌動蛋白微絲進行移動，Cui等[22]發(fā)現(xiàn)煙草飼紋病毒(tobacco etch virus，TEV)的P3蛋白通過早期分泌途徑形成可移動的包涵體，并沿肌動蛋白微絲運輸，最后與能誘導復制的病毒6K蛋白共定位。Burke等[23]發(fā)現(xiàn)除病毒基因組復制和轉錄外，任何一種主要細胞骨架成分的改變都會顯著影響呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus，RSV)生命周期的每一步。病毒到達其復制部位后與肌動蛋白細胞骨架的結合，促進了子代病毒的復制和組裝。RSV依賴肌動蛋白和肌動蛋白單體結合蛋白刺激RSV聚合酶的轉錄活性。另外，Kallewaard等[24]研究表明微管在產(chǎn)生RSV的過程中起主導作用，而肌動蛋白絲對病毒從細胞內釋放的影響更大。De Bishnu等[25]發(fā)現(xiàn)肌動蛋白微絲在3型人副流感病毒(human parainfluenza virus type 3，HPIV3)生命周期中起著關鍵作用，特別是在病毒轉錄和復制的水平上。免疫熒光標記和共聚焦顯微鏡顯示，病毒核衣殼與肌動蛋白微絲共定位，純化的病毒核衣殼蛋白特異性地與重組肌動蛋白互作，激活mRNA合成。

3 肌動蛋白與病毒釋放

病毒復制周期的最后階段是從受感染的宿主細胞釋放。Miranda-Saksena等[26]發(fā)現(xiàn)1型單純皰疹病毒(herpes simplex virus type 1，HSV-1)利用肌動蛋白和微管進入細胞時，在質膜和軸突中進行逆行運輸，組裝和離開細胞時進行順行運輸。Charlton等[27]研究發(fā)現(xiàn)苜蓿銀紋夜蛾核型多角體病毒(Autographacalifornicanuclear polyhedrosis virus，AcMNPV)出芽型病毒粒子BV進入細胞后立即誘導細胞質中的肌動蛋白形成纜索結構，介導病毒穿過核孔進入細胞核中進行復制。隨著病毒早期基因的表達，病毒感染引起宿主細胞肌動蛋白構象的再次變化，肌動蛋白纜索結構解體，F(xiàn)-actin在細胞膜附近聚集。AcMNPV具有將宿主G-actin組裝成F-actin的能力[28]。在病毒感染晚期，AcMNPV動員核內的肌動蛋白以促進病毒出核[29]。并且，肌動蛋白聚合對病毒在出核時破壞核膜的完整性是必需的。在細胞質內，病毒利用肌動蛋白移動系統(tǒng)到達質膜，進而出芽。Wilkie等[30]發(fā)現(xiàn)核F-肌動蛋白可促進人巨細胞病毒(human cytomegalovirus，HCMV)向核周邊移動，并促進出核。

4 肌動蛋白與病毒細胞間傳播

很多病毒利用宿主的肌動蛋白細胞骨架來促進它們在細胞間的傳播。如痘苗病毒(vaccinia virus，VV)感染導致宿主肌動蛋白細胞骨架的重排，利用肌動蛋白聚合作為驅動力，在細胞內和細胞間運動[31]。Humphries等[32]研究發(fā)現(xiàn)新組裝的痘苗病毒顆粒與質膜融合，并通過誘導Arp2/3依賴的肌動蛋白聚合來增強它們的傳播。ARP2/3復合物在肌動蛋白的組裝中不可或缺，最主要功能是促進肌動蛋白聚合[33]。痘苗病毒通過病毒蛋白F11抑制RhoA信號傳導來調節(jié)皮質肌動蛋白細胞骨架形成的屏障，從而增強其釋放[34]。

Mehedi等[35]研究發(fā)現(xiàn)，呼吸道合胞病毒感染誘導細胞形成絲狀足，從而促進了RSV的細胞間傳播。此外，El Najjar等[36]研究發(fā)現(xiàn)人偏肺病毒(human metapneumovirus，HMPV)可在感染細胞表面形成絲狀結構，并刺激病毒結構蛋白在細胞間延伸，這些結構的形成依賴于肌動蛋白的聚合和肌動蛋白相關的信號轉導。另外，一些植物呼腸孤病毒利用由病毒蛋白形成的小管介導病毒粒子在昆蟲介體內進行病毒傳播。Chen等[37]發(fā)現(xiàn)與actin相連的原肌球調節(jié)蛋白能夠直接與水稻矮縮病毒(rice dwarf virus，RDV)Pns10小管相互作用參與病毒傳播，最終促進病毒感染。RDV的非結構蛋白Pns10是管狀結構的主要成分，含病毒粒子的小管與肌動蛋白絲結合，從感染細胞表面突出并穿透到鄰近細胞中。因此，認為RDV利用Pns10形成的小管和肌動蛋白形成的絲足在宿主昆蟲細胞間傳播[38]。

5 總結與展望

肌動蛋白在真核細胞中起著至關重要的作用，細胞的形狀、運動、分裂、細胞內物質運輸和細胞內信號轉導等都依賴于肌動蛋白。此外，肌動蛋白還參與許多病原微生物的侵染、復制等過程。病毒在侵染宿主細胞時，會破壞肌動蛋白形成的細胞骨架，以促進自身的生存、復制和傳播(表1)。

近年來，大量的研究發(fā)現(xiàn)病毒都有一套調控宿主細胞骨架的策略，對病毒與細胞骨架之間的研究不但在病毒感染機制方面，而且在細胞骨架調節(jié)途徑方面都取得了進展。通過研究病毒生命不同周期中與肌動蛋白的相互作用，了解病毒感染如何利用宿主細胞骨架有助于對病毒致病機理的理解，從而限制或消除病毒傳播。重要的是，解析病毒與細胞骨架之間的分子相互作用機制，通過靶向與宿主細胞骨架相互作用或操縱宿主細胞骨架的病毒蛋白可能為抗病毒治療的發(fā)展提供重要的新靶點。