SERINC家族蛋白抗病毒作用的研究進(jìn)展

肖慧敏 劉悅 張文艷

宿主內(nèi)存在一類蛋白,如APOBEC3,TRIM5α,SAMHD1等,它們通過(guò)不同的作用機(jī)制抑制病毒的復(fù)制,被稱為宿主限制因子或天然防御因子［1,2］。病毒蛋白與宿主限制因子的相互拮抗作用一直是病毒學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及前沿科學(xué)問(wèn)題。2015年,美國(guó)麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院、意大利特倫托大學(xué)和瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)在Nature發(fā)表論文,揭示了絲氨酸整合因子(serine incorporator,SERINC)蛋白家族成員能夠抑制HIV病毒顆粒的復(fù)制。SERINC作為近幾年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)重要的抗病毒蛋白家族,越來(lái)越受到眾多學(xué)者的關(guān)注。在哺乳動(dòng)物中,SERINC家族有5個(gè)成員:SERINC1-5。從最初發(fā)現(xiàn)SERINC蛋白家族在腫瘤細(xì)胞中的異常表達(dá),總結(jié)出腫瘤致癌性的轉(zhuǎn)化往往伴隨著SERINC蛋白家族的高表達(dá),到探索到SERINC蛋白家族能夠影響HIV等病毒顆粒的復(fù)制以及疾病的進(jìn)展過(guò)程,可以推斷SERINC家族蛋白能參與許多生命過(guò)程,影響不同疾病的進(jìn)展。其在病毒感染過(guò)程中發(fā)揮的抗病毒作用,以及與病毒蛋白的相互拮抗作用具有重大的研究潛能。

1 SERINC蛋白家族及其功能

SERINC作為一種重要的跨膜蛋白家族,共有5個(gè)成員:SERINC1-5。其膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有類似于氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的11個(gè)跨膜區(qū)段,且均含有一個(gè)“helix-loop-helix”功能結(jié)構(gòu)域。SERINC蛋白存在于所有真核細(xì)胞的質(zhì)膜中,包含多個(gè)疏水結(jié)構(gòu)域,幾乎都編碼一個(gè)N端信號(hào)肽,其氨基酸在哺乳動(dòng)物中具有約31% ～58%的同源性。1994年,Lebel等［3-7］首先在睪丸腺瘤細(xì)胞株中篩選到了TDE1(即SERINC3,又稱為 TMS-1,AIGP1)。2003年 SERINC2被 Player等［8］發(fā)現(xiàn)(當(dāng)時(shí)稱為 TDE2,human Tomur Differentially Expressed 2)。 之后,Inuzuka等［6］在研究小鼠腦神經(jīng)興奮實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了SERINC1,并確定其主要分布在大腦皮層、海馬和小腦顆粒細(xì)胞中,同時(shí)通過(guò)序列分析發(fā)現(xiàn)了SERINC1的人的同源氨基酸,分別將它們命名為SERINC1(人的TDE1)和SERINC5(TOP1),并在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中相繼確定了SERINC2,SERINC3B,SERINC4和SERINC4B。

絲氨酸(serine)是細(xì)胞內(nèi)一類重要的非必需氨基酸,是磷脂酰絲氨酸和鞘脂的主要組成成分。SERINC蛋白家族能幫助極性氨基酸絲氨酸整合到細(xì)胞膜上,并促進(jìn)磷酯酰絲氨酸和鞘脂衍生物的生成,因此SERINC蛋白在膜脂分子生物合成過(guò)程中起著非常重要的調(diào)節(jié)作用［6］。此外,研究表明,雖然SERINC蛋白與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)構(gòu)相似,但SERINC1和 SERINC3并沒(méi)有任何氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)功能［4］。SERINC1在免疫細(xì)胞的發(fā)育以及功能行使時(shí)并未起到重要的作用,并且也不影響免疫細(xì)胞表面脂質(zhì)的變化［9］。研究表明,哺乳動(dòng)物 COS細(xì)胞中的SERINC1增強(qiáng)了絲氨酸與3-酮二氫鞘氨醇的結(jié)合,從而促進(jìn)磷脂酰絲氨酸的合成。此外,SERINC2和SERINC5能夠顯著增強(qiáng)絲氨酸堿基交換酶和絲氨酸棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶的活性,并且發(fā)現(xiàn)SERINC5和髓鞘質(zhì)的生成密切相關(guān)［10］。

大多早期研究表明SERINC蛋白生物學(xué)活性主要與腫瘤相關(guān)［11］,并且能夠在抑制細(xì)胞凋亡的同時(shí)促進(jìn)腫瘤的發(fā)生［12］。研究發(fā)現(xiàn)SERINC3在肺癌組織中高度表達(dá)［4,13］,SERINC2在人非小細(xì)胞肺癌癌組織中高表達(dá),并且SERINC1能夠阻滯肺癌細(xì)胞的周期進(jìn)程,從而抑制肺癌細(xì)胞的復(fù)制［14］。

最近研究顯示SERINC蛋白家族中的SERINC3和SERINC5可以作為逆轉(zhuǎn)錄病毒的抑制劑,在病毒增殖時(shí),被包裝進(jìn)入到病毒顆粒中,從而削弱這些病毒顆粒感染新細(xì)胞的能力,同時(shí)有些逆轉(zhuǎn)錄病毒也表現(xiàn)出相應(yīng)的拮抗能力。比如對(duì)人免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)、猴免疫缺陷病毒(simian immunodeficiency virus,SIV)、馬傳染性貧血病毒(equine infectious anemia virus,EIAV)和鼠白血病病毒(murine leukemia virus,MLV)［5,7,15-16］。

2 SERINC蛋白家族的抗病毒作用

2.1 SERINC蛋白家族對(duì)HIV的限制作用 HIV是一種感染人類免疫系統(tǒng)細(xì)胞的慢病毒(Lentivirus),屬于逆轉(zhuǎn)錄病毒的一種。HIV的基因組RNA中含有g(shù)ag、env和pol基因以及6種調(diào)控基因(tat,vif,vpr,vpx(vpu),nef,rev)。該病毒能破壞人的免疫系統(tǒng),導(dǎo)致機(jī)體免疫缺陷,從而使得各種疾病以及癌癥在人體內(nèi)得以生存,最終導(dǎo)致艾滋病的發(fā)生。

2.1.1 SERINC與HIV-nef之間的研究:在HIV中,負(fù)調(diào)控因子(negative factor,Nef)是由HIV-1/2編碼的輔助蛋白(其他的輔助蛋白還有Vif,Vpr,Vpu),同樣存在于猴免疫缺陷病毒(simian immunodeficiency virus,SIV)中,并且具有高度保守性。早期的研究顯示,該蛋白對(duì)病毒的復(fù)制具有抑制作用,故稱為“負(fù)性因子”(Negative factor,Nef)［17-18］,但后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)在感染細(xì)胞中其能促進(jìn)病毒的復(fù)制,并加速疾病病情的進(jìn)程［19］。

2015年兩項(xiàng)研究同時(shí)在Nature發(fā)表論文報(bào)道,SERINC3和SERINC5作為宿主限制因子可以抑制病毒的復(fù)制,從而降低病毒的感染力。Rosa等［15］和 Usami等［20］發(fā)現(xiàn)Nef作為HIV的輔助蛋白能夠提高病毒感染,它能夠阻止SERINC3和SERINC5結(jié)合到細(xì)胞表面,從而無(wú)法整合到新形成的病毒粒子中,進(jìn)而增加病毒的感染能力。而在缺乏Nef的條件下,SERINC3和SERINC5會(huì)在病毒粒子離開(kāi)宿主細(xì)胞時(shí)整合到病毒包膜中,使得新形成的病毒粒子無(wú)法感染新的宿主細(xì)胞。Rosa等［15］認(rèn)為Nef能將SERINC5限制在Rab7-陽(yáng)性胞內(nèi)體從而與病毒粒子隔離開(kāi)來(lái)。 Usami等［20］在 SERINC3和 SERINC5雙敲除的CD4＋T細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),當(dāng)缺乏Nef時(shí)病毒粒子的感染能力能夠增加100多倍；當(dāng)重新表達(dá)SERINC3和SERINC5后,病毒感染力被明顯的抑制,證明了SERINC3和SERINC5對(duì)HIV復(fù)制的抑制作用,而Nef則能幫助病毒逃避這一限制,并且SERINC5比SERINC3在拮抗Nef時(shí)效果要明顯。同年10月,Matheson等［21］發(fā)現(xiàn) Nef蛋白在 HIV-1感染對(duì)T細(xì)胞表面蛋白質(zhì)組影響時(shí),檢測(cè)到Nef可以影響SEINC3/5的亞細(xì)胞定位。

機(jī)制研究方面發(fā)現(xiàn),在有些靈長(zhǎng)動(dòng)物免疫缺陷病毒感染時(shí),Nef C端loop中基于二硫鍵的分選信號(hào)能招募AP-2(activator protein-2)來(lái)拮抗SERINC5的作用［22-23］。此外,SERINC5與Nef的拮抗作用不依賴于HIV-1的脂質(zhì)組成與病毒顆粒組織的改變,病毒顆粒表面的磷脂酰絲氨酸水平并未發(fā)生改變,并且阻斷病毒顆粒表面磷脂酰絲氨酸的結(jié)合位點(diǎn)或者改變絲氨酸的暴露程度同樣不影響SERINC5對(duì)HIV-1的限制作用［24］。 同時(shí) SERINC3或 SERINC5能夠抑制病毒融合孔的增大,減慢病毒的增殖,而Nef能消除SERIN5蛋白引起的融合減少,研究發(fā)現(xiàn),在此過(guò)程中Nef的肉豆蔻?；谠撨^(guò)程中起著重要作用［25］。

Zhang等［26］通過(guò)對(duì)SERINC家族五個(gè)成員的系統(tǒng)性對(duì)比發(fā)現(xiàn),SERINC5具有最強(qiáng)的抗病毒能力,此外在人體內(nèi)檢測(cè)到的SERINC5的5種異構(gòu)體中,只有Ⅰ亞型能夠高效表達(dá),因其相對(duì)于其他的亞型,多了一個(gè)跨膜區(qū),從而增加了蛋白的穩(wěn)定性,并且產(chǎn)生抗病毒效力。此外其他亞型主要存在于細(xì)胞質(zhì)中,而Ⅰ亞型主要存在于質(zhì)膜部位,具有質(zhì)膜靶向作用,起到了抗病毒的作用。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)Ⅰ亞型在外周血單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中含量豐富,預(yù)示著其在抗病毒感染方面具有重要作用。

從鼠、猿、猴到人,SERINC5在抗病毒作用中具有一定的保守性,與其他宿主限制因子需要干擾素誘導(dǎo)的條件不同,并且在免疫系統(tǒng)的所有細(xì)胞中穩(wěn)定表達(dá)。此外,SERINC5與不同的Nef蛋白在拮抗方面具有種間依賴性,鼠的SERINC5在抗病毒方面效力略低于靈長(zhǎng)動(dòng)物。通過(guò)病毒感染比較發(fā)現(xiàn),HIV-2比 HIV-1的 Nef拮抗 SERINC5效力低［22］。

2.1.2 SERINC與HIV-Env之間的作用:在長(zhǎng)期的研究中,人們發(fā)現(xiàn)SERINC家族除了與Nef蛋白的拮抗作用外,與Env蛋白也可以相互拮抗,進(jìn)一步降低病毒的感染力。

Env蛋白是由env基因所編碼,在宿主的蛋白酶的作用下形成gp120和gp41并被轉(zhuǎn)運(yùn)、聚集于細(xì)胞膜。gp120含有中和抗原決定簇,是HIV中和抗原表位,位于gp120 V3環(huán)上。V3環(huán)區(qū)是囊膜蛋白的重要功能區(qū),在病毒與細(xì)胞融合中起重要作用。

研究發(fā)現(xiàn),有些HIV毒株的Env蛋白在不阻止SERINC5結(jié)合到新的病毒顆粒的條件下能結(jié)合SERINC5,從而抑制 SERINC5［27］,在這個(gè)過(guò)程中 V1和V2環(huán)區(qū)經(jīng)過(guò)折疊插入到V3環(huán)中,增強(qiáng)Env構(gòu)象的穩(wěn)定性,促進(jìn) Env與 SERINC5的結(jié)合［20,28］。此外有報(bào)道則顯示,SERINC5促進(jìn)敏感但不耐藥的Env糖蛋白發(fā)生自發(fā)性失活,并通過(guò)延遲HIV-1與細(xì)胞的融合反應(yīng)來(lái)增加保守的gp41結(jié)構(gòu)域的暴露,增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)病毒的中和反應(yīng),起到抑制病毒的作用。SERINC5選擇性地滅活敏感的Env糖蛋白,干擾剩余活性Env的功能,并可能通過(guò)阻止Env的折疊從而減少融合泡的形成,減少與細(xì)胞之間融合的發(fā)生,最終限制病毒感染新的細(xì)胞［29］。

除了SERINC5,SERINC3也可與 Env相互拮抗,同SERINC5一起延遲病毒融合孔的增大,并降低HIV-1 Env誘導(dǎo)的與細(xì)胞之間的融合程度。

最近,有研究發(fā)現(xiàn)SERINC5定位于細(xì)胞的抗洗滌劑膜(detergent-resistant membranes,DRMs),影響HIV-1病毒的包膜蛋白的構(gòu)象,同時(shí)能夠阻止HIV-1病毒顆粒的核心進(jìn)入目的細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中,從而限制 HIV-1 的感染性［30］。

2.2 SERINC蛋白家族與其他病毒的作用研究SERINC蛋白家族具有廣譜的抗病毒作用,2013年,在EIAV研究中發(fā)現(xiàn),SERINC3和SERINC5能夠拮抗該病毒的S2蛋白,從而起到抗病毒作用。EIAV是一種骨髓嗜性慢病毒,可引起馬的血小板減少以及貧血,并且可慢慢進(jìn)入攜帶潛伏期［31］。S2蛋白是EIAV編碼的一個(gè)小分子輔助蛋白,與其他已知蛋白的氨基酸序列沒(méi)有同源性,在病毒的復(fù)制和疾病進(jìn)展中起著重要的作用［5］。近幾年研究發(fā)現(xiàn),S2蛋白與HIV的Nef蛋白的功能相似,能夠在病毒復(fù)制時(shí),阻止SERINC3和SERINC5在新病毒顆粒上的整合,這個(gè)過(guò)程需要ExxxLL基序招募網(wǎng)格蛋白銜接子AP-2(Adaptor protein 2)。在該過(guò)程中,除了將SERINC3和SERINC5重定向至晚期內(nèi)體腔室外,S2還可促進(jìn)宿主因子降解。S2的N-末端甘氨酸是對(duì)抗SERINC3和SERINC5活性所必需的。此外,EIAV的包膜蛋白也具有與宿主限制因子的拮抗作用,因此表明EIAV具有雙重的抗宿主限制因子作用的能力。

同樣在MLV中,其編碼的包膜糖蛋白可以充當(dāng)HIV的Nef蛋白與SERINC5相互拮抗,但攜帶埃博拉病毒的糖蛋白的MLV與其自身的包膜糖蛋白作用相反,其中機(jī)制還不是很清楚［16］。

3 總結(jié)與展望

SERINC蛋白家族作為近幾年在腫瘤中差異表達(dá)的跨膜蛋白,其抗病毒的新功能已經(jīng)被確認(rèn)。其中,SERINC3和SERINC5在抗病毒作用中起著重要作用。在HIV感染時(shí),兩者能結(jié)合到病毒顆粒中并作為信號(hào)報(bào)警器阻止病毒的進(jìn)一步增殖,而病毒相關(guān)蛋白Nef,Env則能拮抗這一作用。并且在其他病毒中,如 MLV和 FIAV感染時(shí),SERINC3和SERINC5同樣能夠與病毒蛋白相互作用。此外,SERINC蛋白家族的其他成員在疾病發(fā)生中也扮演著重要角色。

雖然SERINC蛋白家族的抗病毒作用越來(lái)越被人們熟知,但其中的很多機(jī)制尚不是很清楚。首先,在病毒感染時(shí),上調(diào)SERINC蛋白表達(dá)的機(jī)制還不是很清楚,已知SERINC3和SERINC5 mRNA表達(dá)不是由干擾素α,干擾素β,脂多糖或植物凝集素誘導(dǎo)的,因此SERINC3和SERINC5是如何被調(diào)控的仍然需要進(jìn)一步的研究。其次,在病毒感染時(shí),具有高度同源性的SERINC蛋白家族成員之間的相互作用的研究也不是很詳細(xì),決定它們是否具有抗病毒作用的關(guān)鍵點(diǎn)是否位于非同源區(qū)需要進(jìn)一步的探索。另外,SERINC蛋白家族除了 SERINC3和SERINC5之外,其他的家族成員在抗病毒作用方面的研究也需要進(jìn)一步的深入的研究。除此之外,SERINC蛋白家族在其他病毒的相互作用方面的研究也需要進(jìn)一步的探究,以期拓寬SERINC蛋白家族抗病毒研究的范圍,從而為抗病毒治療找到新的治療思路。

利益沖突:無(wú)