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Science:游离泛素蛋白与流感病毒脱衣壳

细胞降解系统(cellular degradation system)组份也被流感病毒(influenza virus)利用,用来帮助病毒感染。

在真核细胞(eukaryotic cells)内,折叠发生错误的蛋白会被泛素蛋白(ubiquitin, Ub)修饰。多聚泛素蛋白(polyubiquitin, poly-Ub)链连上这些错误折叠蛋白之后就相当于打上了一个标签,告诉蛋白酶体(proteasomes),这个蛋白是需要被消灭的。但还有一些多聚泛素蛋白是游离的,并没有与其他蛋白相连,研究发现,这些游离多聚泛素蛋白是一种非常重要的因子,参与了细胞内多条重要的反应,比如天然抗病毒反应(innate antiviral pathway)。这些游离的多聚泛素蛋白还能够激活侵袭素通路(aggresome pathway)。所谓侵袭素通路也是胞内一条非常重要的降解途径,当蛋白酶体途径被抑制或者失活时,侵袭素通路会承担主要作用,降解胞内的异常蛋白等物质。Banerjee等人在《科学》(SCIENCE)杂志发文,介绍了他们的新发现。他们发现流感病毒也可以利用宿主细胞的游离多聚泛素蛋白,招募侵袭素通路。流感病毒利用宿主细胞的这套机制脱去病毒自身的衣壳蛋白,并帮助病毒进入宿主细胞的时候逃避内涵体(endosome)的吞食,帮助病毒进行复制。

蛋白质的多泛素化修饰(Polyubiquitylation)作用主要发生在翻译后阶段。泛素蛋白羧基端游离的甘氨酸残基能够与特定底物蛋白的赖氨酸残基相连。泛素蛋白之间也可以依靠共价结合的方式自我聚合,形成多聚泛素蛋白链,泛素蛋白之间的结合发生在K6、K11、K27、K29、K33、K48和K63这7个赖氨酸残基中的两两之间。被多聚泛素蛋白链上的K48残基修饰的蛋白质底物通常都会成为蛋白酶体的捕食对象。胞内还存在Poh1这种去泛素化酶,Poh1酶能够将底物蛋白质与多聚泛素蛋白链之间相连的K63连接打开。这些游离的多聚泛素蛋白链能够被侵袭素通路的组份——组蛋白脱乙酰基酶6(histone deacetylase 6, HDAC6)识别。HDAC6蛋白是胞浆内最主要的脱乙酰基酶,但同时也在游离泛素蛋白链与侵袭素自噬通路(aggresome-autophagy pathway)中的dynein蛋白动力复合体(dynein motor complexes)之间起到衔接蛋白(adaptor protein)的作用。因此,这些游离泛素多聚蛋白就起到了一个招募的作用,将目标蛋白与侵袭素自噬通路“撮合”到一处,促使这些目标蛋白被降解(图1)。

游离泛素多聚蛋白链同时也具有抗病毒功用。游离的K63连接的泛素多聚蛋白能够与维甲酸诱导基因1(retinoic acid–inducible gene I, RIG-I)表达产物结合,并使其活化。而RIG-I蛋白则能够诱导具备抗病毒作用的1型干扰素(type I interferons)表达。此外,游离的K48连接的泛素多聚蛋白能够与κB激酶ε(κB kinase ε, IKKε)的抑制剂结合并使其活化,激活下游信号通路,表达抗病毒基因。

甲型流感病毒(Influenza A viruses, IAV)是一种感染性非常强的病毒,能够引起流感大流行和每年的流感疫情。一次成功的病毒感染需要病毒能够穿过宿主细胞的细胞膜。IAV病毒是一种包膜病毒(enveloped virus),能够粘附到宿主细胞上,借助细胞的胞吞作用(endocytosis pathway)进入宿主细胞。内体(endosom)的酸化作用(Acidification)能够使流感病毒表面的血凝素(hemagglutinin, HA)蛋白的构象发生改变,促使病毒与内体膜融合。流感病毒通过这种机制释放出核糖核蛋白(ribonucleoproteins, RNP)。在这些核糖核蛋白里含有病毒的核酸RNA、核蛋白(nucleoprotein, NP)以及病毒聚合酶(polymerase)。RNP随即被转运至宿主细胞的核内,病毒RNA开始进行复制。在这个过程中,病毒RNP必须脱掉病毒M1基质蛋白。这个过程就被称作脱衣壳过程(uncoating),病毒的离子通道蛋白M2蛋白会参与脱衣壳过程(图2)。

Science:游离泛素蛋白与流感病毒脱衣壳

图1 侵袭素途径。细胞内折叠发生错误的蛋白可以被多聚泛素蛋白标记,但是不经蛋白酶体途径降解,这些蛋白会被HDAC6识别。HDAC6与游离的多聚泛素蛋白链结合,同时与侵袭素途径中的Dynein蛋白动力复合体结合,使被标记蛋白通过侵袭素途径被降解掉。

内体的酸化作用不仅能够促进膜融合,而且也能够激活M2离子通道。M2通道蛋白将质子从内体转移至病毒粒子内部,在病毒内形成一个酸化的环境,促使M1蛋白与病毒RNP解离。金刚烷胺(Amantadine)和金刚乙胺(rimantadine)这两种已上市的抗流感病毒药物的作用机制就是抑制M2蛋白。Banerjee等人的研究成果又揭示了一条新的流感病毒脱衣壳机制。

Banerjee等人用不表达HDAC6蛋白的小鼠进行了动物试验,检测了侵袭素机制对于流感病毒感染的作用。虽然这种不表达HDAC6蛋白的小鼠身体状况没有太大的问题,但它们的免疫反应和骨稳态(bone homeostasis)也都受到了一定的影响。Banerjee等人在这种小鼠的支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavages)中发现,病毒的复制程度确有所降低。但是与之前的报道一样,在细胞免疫反应标志物方面并却没有检测到明显的改变。在病毒胞吞摄取(endocytic uptake)、酸化后的HA改变,以及野生型细胞与HDAC6阴性细胞之间的融合等方面也都没有观察到差异。但是在HDAC6阴性细胞中的确观察到病毒脱衣壳及病毒RNP入(细胞)核的情况有所减少。这种对HDAC6蛋白的依赖性很明显取决于HDAC6蛋白能够与游离多聚泛素蛋白的结合能力,因为与对照组相比(与野生型HDAC6蛋白重组或与脱乙酰基酶结构域发生突变的HDAC6蛋白重组),这些体外培养的细胞与含有突变HDAC6蛋白(该蛋白的泛素结合结构域发生突变)重组之后同样会抑制病毒的脱衣壳过程和复制进程。Banerjee等人还发现,HDAC6蛋白能够与流感病毒的NP蛋白及M1蛋白结合,而且发现甲型流感病毒自身就携带游离的泛素蛋白单体及多聚体。综上所述,这些研究发现都表明,侵袭素能够促使流感病毒脱衣壳。

HDAC6蛋白能够介导错误折叠的蛋白,使其沿微管转运至侵袭素系统,其作用机制就是依靠与肌动蛋白dynein,及其转运复合体组份dynactin蛋白之间的相互作用。Banerjee等人研究发现,借助RNA干扰技术抑制dynactin 2蛋白的表达,使用ciliobrevin D抑制dynein蛋白,或者使用细胞松弛素D(cytochalasin D)和噻氨酯哒唑(nocodazole)等方式,都可以阻止流感病毒脱衣壳过程。但是肌动蛋白和细胞骨架是否起到了促进脱衣壳的作用,现在还不得而知。不过无论如何,这些研究数据以及HDAC6蛋白能够与游离多聚泛素蛋白链、NP和M1蛋白结合的事实都表明,侵袭素通路参与了流感病毒脱衣壳过程。

Science:游离泛素蛋白与流感病毒脱衣壳

图2 利用侵袭素途径。

那么游离的泛素蛋白是如何进入病毒粒子的呢?虽然Banerjee等人还没有确定泛素蛋白与病毒粒子和HDAC6蛋白之间的连接方式(即是通过K63、K48,还是其他赖氨酸残基连接),但之前的研究表明,游离的多聚泛素蛋白可以通过K63方式与HDAC6蛋白连接。Banerjee等人在病毒粒子里发现了游离的泛素蛋白二聚体、三聚体和四聚体,这就产生了一个问题,这些不同长度(聚合程度)的多聚泛素蛋白被释放入细胞之后,是否具有不同的功能呢?现在也不清楚侵袭素途径是如何帮助病毒脱衣壳的。侵袭素途径是否也能够帮助其他被膜病毒脱衣壳,比如埃博拉病毒、HIV病毒等。这些都是值得进一步去研究的课题。

Banerjee等人开展的这项研究工作再一次向我们展示了病毒是如何利用细胞自身机制,帮助病毒复制。同时也再一次强调了最近多次被证实的,游离多聚泛素蛋白对于不同细胞通路的活化作用。由于我们已经证实,脱衣壳过程是阻止流感病毒感染的一个关键作用靶点,所以抑制侵袭素途径也应该可以成为一条抗流感病毒的重要策略。如果这种侵袭素途径抑制剂对人体是无毒的,那么就非常有可能解决目前M2离子通道抑制剂类抗流感病毒日益加重的耐药问题。

原文检索:

Ricardo Rajsbaum, Adolfo García-Sastre. Unanchored ubiquitin in virus uncoating. Science, 24 October 2014; DOI: 10.1126/science.1261509

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