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SARS-CoV S蛋白受体研究进展

来源:中华实用医药杂志 作者:谭洁琼 李邦良 2005-8-4
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摘要: 【摘要】 严重急性呼吸综合征是由一种新型冠状病毒(SARS-CoV)引起,SARS-CoV包括4种结构蛋白:S蛋白,E蛋白,M蛋白和N蛋白。S蛋白不仅在受体结合和病毒融合中起重要作用,而且是诱导保护性抗体的主要抗原。ACE2和CD209L已被证实是SARS-CoV的2个受体,SARS-CoV入侵细胞依赖于S蛋白与受体的相互作用。 【关键词】 严......


    【摘要】  严重急性呼吸综合征是由一种新型冠状病毒(SARS-CoV)引起,SARS-CoV包括4种结构蛋白:S蛋白,E蛋白,M蛋白和N蛋白。S蛋白不仅在受体结合和病毒融合中起重要作用,而且是诱导保护性抗体的主要抗原。ACE2和CD209L已被证实是SARS-CoV的2个受体,SARS-CoV入侵细胞依赖于S蛋白与受体的相互作用.对其机制的探讨将有助于病毒抑制剂和疫苗的研制。

    【关键词】  严重急性呼吸综合征 S蛋白 受体 融合

    【Abstract】 Severe Acute Respiratory Syndrome(SARS)is caused by a newly identified coronavirus(SARS-CoV).The SARS-CoV has four structural proteins:spike glycoprotein,envelope protein,membrane protein and nu-cleocapsid protein.The SARS-CoV S glycoprotein is not only responsible for receptor binding and virus fusion,but also a major antigen among the SARS-CoV proteins that induces protective antibody responses.ACE2and CD209L were identified as receptors for SARS-CoV.Cellular entry of SARS-CoV is dependent on interaction between SARS-CoV S glycoprotein and its receptor.The mechanismwill likely contribute to the development of entry inhibitors and vaccines.

    【Key words】 SARS-CoV spike protein receptor fusion

    严重急性呼吸综合征(severe acute respiratory syndrome,SARS)的暴发和流行,对人类的健康造成了极大的威胁。因此SARS的研究显得尤为紧迫和重要。其致病体为SARS冠状病毒(SARS-CoV)已得到确定,并随后完成了其基因组测序 [1] 。SARS为RNA正链病毒,基因组大小约30kb,SARS-CoV结构蛋白有S蛋白(spike protein)、E蛋白(small envelope pretein)、M蛋白(membrane glycoprotein)和N蛋白(nucleocaspid protein)4种。SARS-CoV S蛋白及其受体在病毒感染宿主细胞过程中起重要作用,现将SARS-CoV S蛋白受体研究进展做一综述如下。

    1 S蛋白的结构

    SARS-CoV S蛋白是冠状病毒表面的最重要的膜蛋白。S蛋白是Ⅰ型跨膜糖蛋白,整个S蛋白全长为1255个氨基酸,24个糖基化位点 [2] 。N端1~13可能为信号肽序列,C末端含一个跨膜结构域和一个富含半胱氨酸残基的胞质区尾部,14~1195氨基酸残基部分是膜外区域,高度疏水性区域1196~1226氨基酸残基是跨膜区域,1227~1255氨基酸残基是胞内区域。如同HIV病毒和流感病毒的蛋白一样,有些冠状病毒的S蛋白,如鼠肝炎病毒(mouse hep-atitis virus,MHV),被自己表达或宿主细胞表达的蛋白激酶水解成S1和S2两部分 [3,4] 。通常包含K/R-Xn-K/R的序列(X为任意氨基酸,n为0,2,4或者6)能被蛋白水解酶水解 [5] 。但也有些冠状病毒如人冠状病毒229E(HcoV229E),S蛋白不能被切割成S1和S2两部分。现有的大多数试验证实SARS-CoV S蛋白没有被水解成两个亚单位,缺乏基本氨基酸裂解位点,不会切成两部分。但也有人得出SARS-CoV S蛋白前体在细胞质合成后被切成两部分S1和S2,其切割位点可能在第667和668个氨基酸残基之间 [6] ,根据其功能和生物信息学分析在第670个氨基酸左右可以将其分为S1和S2两个功能区域 [7] 。S1形成S蛋白的球状部分,介导宿主细胞受体的结合 [8,9] ;S2包含两个由疏水性氨基酸组成的4-3heptad repeats(HRs)区域:HR1和HR2。它们都是典型的卷曲螺旋结构。使用LearnCoilVMF程序预测,SARS冠状病毒S蛋白的螺旋结构区域显示HR1区域为900~1005氨基酸残基,HR2区域为1151~1185氨基酸残基 [10] ,HR2接近于跨膜区域。S2介导病毒包膜与宿主细胞膜的融合。分析预测S蛋白的氨基酸序列显示较低的(20%~27%)pairwise氨基酸,这与其他冠状病毒的S蛋白不同。推测这种新型的冠状病毒可能存在与已知冠状病毒不同的受体。

    2 S蛋白的受体

    根据基因和血清学将已知的冠状病毒分为3类。两种类型的冠状病毒受体已经得到确定。人冠状病毒229E(HCoV-229E)等的细胞受体被证实是氨肽酶N(aminopepti-dase N,APN,CD13)。其他的第Ⅰ类冠状病毒也利用这种同样的锌金属蛋白酶进入细胞 [11,12] 。第Ⅱ类冠状病毒如鼠肝炎病毒(mouse hepatitis virus,MHV)等被证实是以癌胚抗原细胞粘附分子家族(Carcinoembryonic Antigen-related cell Adhesion Molecules,CEACAMs)作为受体 [13,14] 。该受体是属于免疫球蛋白超家族。第三类以鸟类作为宿主的冠状病毒,其受体还没有被证实。分析SARS-CoV的基因得出,它不属于已知的三类冠状病毒中的任何一类。它已被证实的2个受体为ACE2和CD209L。

    2.1 ACE2 2003年11月Li W等证实ACE2是SARS-CoV一个功能性受体。在不被SARS-CoV感染的细胞中表达重组的ACE2能与表达SARS-CoV S蛋白的细胞发生融合,形成巨大的多核细胞。另外用可溶性的外源ACE2能抑制SARS-CoV S蛋白的感染 [15] 。ACE2是一种在2000年发现的羧化-金属蛋白激酶。该酶属于Ⅰ型跨膜蛋白,拥有805个氨基酸。包含一个单独的金属蛋白激酶活性中心,HEXXH锌指结合区域 [16,17] 。ACE2在心、肾、睾丸、胃肠道和肺中都有表达。免疫组化结果显示ACE2在心肌和肾脏血管内皮细胞和肾小管上皮细胞中呈高表达。

    2.2 CD209L 转染肺cDNA文库到CHO细胞中,通过表达克隆的方法,Jeffers发现了SARS-CoV的另一个受体为CD209L。但并不是所有表达了CD209L的细胞都能被SARS-CoV感染。对比ACE2,CD209L作为SARS-CoV的受体还远不如ACE2敏感 [18] 。CD209L是C型lectin家族中的Ⅱ型跨膜糖蛋白。CD209L在肺细胞中的表达已得到证实。免疫组化研究显示在人肺组织中CD209L在Ⅱ型肺泡细胞和内皮细胞中表达。许多病毒,如HIV、疱疹单纯病毒和麻疹病毒都利用多个受体或者复合受体进入宿主细胞 [19] 。未来的实验需要证实在SARS-CoV感染和致病过程中ACE2和CD209L是否相互作用而发挥感染作用。

    3 S蛋白和受体的相互作用

    其他的包膜病毒,进入宿主细胞需要病毒和细胞间的膜融合。实验证实重组S蛋白能单独有效地介导细胞融合 [5] 。SARS-CoV进入细胞是通过S蛋白介导的胞吞作用方式 [20,21] ,病毒的进入首先依赖于病毒的糖蛋白与细胞特异性受体结合,在此ACE2是作为SARS-CoV的功能性受体而起作用,它使S蛋白能特异性地与细胞结合。现已证实结合位点在S318~510区域 [22] ,这段区域的结合能力甚至比全长的S1蛋白更加有效。研究证实ACE2的酶活性在介导病毒进入细胞中是无关紧要的。S蛋白结合ACE2后,ACE2酶的活性并没因此改变,其结合如图1所示 [23] 。这样的情况在其他冠状病毒受体中也能见到,如TGEV进入细胞也不依赖于它受体-APN的酶水解活性 [24] 。ig.1Interaction between ACE2and the SARS-CoV S-glycoprotein leading to binding and fusion.而在介导病毒包膜和细胞融合中,S2也起了重要的作用。典型的冠状病毒S蛋白,象MHV翻译后被切成一个异二聚体,这个异二聚体由与细胞受体结合的S1蛋白和一个介导膜融合的膜锚定S2蛋白构成。S1蛋白与它的受体(CEA- CAM1)结合诱导S1/S2复合体的构象改变 [25] ,一个高度保守的HR区域HR1和HR2相互作用形成一个六螺旋束状结构。该结构能促进病毒包膜和细胞膜处于一个并排的位置,促进膜融合的发生,导致病毒的进入。通过分段突变的策略证明HR1和HR2相互作用的位点是HR1的914~949氨基酸残基和HR2的1148~1185氨基酸残基之间 [26] 。SARS-CoV复制的主要部位在肺,在胃肠道和肾的组织中也分离出了SARS-CoV。但是,ACE2在心组织中是高表达的。但心组织中却未能分离出病毒。是否病毒进入细胞还依赖与某些组织特异性表达的细胞因子或其他的受体?心组织中表达的ACE2与其他组织相比,是否存在着不影响其酶活性但影响其与S蛋白结合的构象差异?有实验证实胰蛋白酶切割是检测S蛋白介导细胞融合的必备条件。因此SARS-CoV S蛋白可能是在病毒颗粒被释放后而被切割:可能在细胞培养基中,也可能在被入侵的宿主细胞中。这都有待进一步证实。S蛋白与M蛋白也存在相互作用 [27] ,但M蛋白在S蛋白介导的受体结合和细胞融合中是否也起作用?这些有待解释的问题都吸引我们有必要对SARS冠状病毒受体去进行进一步研究。通过试验证实,重组S蛋白受体结合区域的多肽能诱导出有效的中和抗体 [28] ;重组的S蛋白或者S蛋白片断能够用来竞争性地抑制病毒结合ACE2 [22] ;重组可融性的无酶水解活性的ACE2可以阻止病毒感染细胞 [29] ;体外研究表明重组HR2区域的多肽能够抑制SARS冠状病毒的进入和感染 [10] 。显然,对SARS冠状病毒受体的深入研究,对探明SARS冠状病毒致病机制、研发治疗和预防的药物以及研发高效疫苗都将有非常重要的意义。

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    (编辑子 萱)

    作者单位:421001湖南衡阳南华大学生物化学与分子生物学教研室( △ 硕士研究生)


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