SERINC家族蛋白抗病毒作用的研究進展

肖慧敏 劉悅 張文艷

宿主內存在一類蛋白,如APOBEC3,TRIM5α,SAMHD1等,它們通過不同的作用機制抑制病毒的復制,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領域的研究熱點及前沿科學問題。2015年,美國麻省大學醫學院、意大利特倫托大學和瑞士日內瓦大學的研究團隊同時在Nature發表論文,揭示了絲氨酸整合因子(serine incorporator,SERINC)蛋白家族成員能夠抑制HIV病毒顆粒的復制。SERINC作為近幾年發現的一個重要的抗病毒蛋白家族,越來越受到眾多學者的關注。在哺乳動物中,SERINC家族有5個成員:SERINC1-5。從最初發現SERINC蛋白家族在腫瘤細胞中的異常表達,總結出腫瘤致癌性的轉化往往伴隨著SERINC蛋白家族的高表達,到探索到SERINC蛋白家族能夠影響HIV等病毒顆粒的復制以及疾病的進展過程,可以推斷SERINC家族蛋白能參與許多生命過程,影響不同疾病的進展。其在病毒感染過程中發揮的抗病毒作用,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個成員:SERINC1-5。其膜拓撲結構具有類似于氨基酸轉運蛋白的11個跨膜區段,且均含有一個“helix-loop-helix”功能結構域。SERINC蛋白存在于所有真核細胞的質膜中,包含多個疏水結構域,幾乎都編碼一個N端信號肽,其氨基酸在哺乳動物中具有約31% ～58%的同源性。1994年,Lebel等［3-7］首先在睪丸腺瘤細胞株中篩選到了TDE1(即SERINC3,又稱為 TMS-1,AIGP1)。2003年 SERINC2被 Player等［8］發現(當時稱為 TDE2,human Tomur Differentially Expressed 2)。 之后,Inuzuka等［6］在研究小鼠腦神經興奮實驗中發現了SERINC1,并確定其主要分布在大腦皮層、海馬和小腦顆粒細胞中,同時通過序列分析發現了SERINC1的人的同源氨基酸,分別將它們命名為SERINC1(人的TDE1)和SERINC5(TOP1),并在后續實驗中相繼確定了SERINC2,SERINC3B,SERINC4和SERINC4B。

絲氨酸(serine)是細胞內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胞膜上,并促進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程中起著非常重要的調節作用［6］。此外,研究表明,雖然SERINC蛋白與轉運蛋白結構相似,但SERINC1和 SERINC3并沒有任何氨基酸轉運功能［4］。SERINC1在免疫細胞的發育以及功能行使時并未起到重要的作用,并且也不影響免疫細胞表面脂質的變化［9］。研究表明,哺乳動物 COS細胞中的SERINC1增強了絲氨酸與3-酮二氫鞘氨醇的結合,從而促進磷脂酰絲氨酸的合成。此外,SERINC2和SERINC5能夠顯著增強絲氨酸堿基交換酶和絲氨酸棕櫚酰轉移酶的活性,并且發現SERINC5和髓鞘質的生成密切相關［10］。

大多早期研究表明SERINC蛋白生物學活性主要與腫瘤相關［11］,并且能夠在抑制細胞凋亡的同時促進腫瘤的發生［12］。研究發現SERINC3在肺癌組織中高度表達［4,13］,SERINC2在人非小細胞肺癌癌組織中高表達,并且SERINC1能夠阻滯肺癌細胞的周期進程,從而抑制肺癌細胞的復制［14］。

最近研究顯示SERINC蛋白家族中的SERINC3和SERINC5可以作為逆轉錄病毒的抑制劑,在病毒增殖時,被包裝進入到病毒顆粒中,從而削弱這些病毒顆粒感染新細胞的能力,同時有些逆轉錄病毒也表現出相應的拮抗能力。比如對人免疫缺陷病毒(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HIV的限制作用 HIV是一種感染人類免疫系統細胞的慢病毒(Lentivirus),屬于逆轉錄病毒的一種。HIV的基因組RNA中含有gag、env和pol基因以及6種調控基因(tat,vif,vpr,vpx(vpu),nef,rev)。該病毒能破壞人的免疫系統,導致機體免疫缺陷,從而使得各種疾病以及癌癥在人體內得以生存,最終導致艾滋病的發生。

2.1.1 SERINC與HIV-nef之間的研究:在HIV中,負調控因子(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,該蛋白對病毒的復制具有抑制作用,故稱為“負性因子”(Negative factor,Nef)［17-18］,但后來的研究發現在感染細胞中其能促進病毒的復制,并加速疾病病情的進程［19］。

2015年兩項研究同時在Nature發表論文報道,SERINC3和SERINC5作為宿主限制因子可以抑制病毒的復制,從而降低病毒的感染力。Rosa等［15］和 Usami等［20］發現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結合到細胞表面,從而無法整合到新形成的病毒粒子中,進而增加病毒的感染能力。而在缺乏Nef的條件下,SERINC3和SERINC5會在病毒粒子離開宿主細胞時整合到病毒包膜中,使得新形成的病毒粒子無法感染新的宿主細胞。Rosa等［15］認為Nef能將SERINC5限制在Rab7-陽性胞內體從而與病毒粒子隔離開來。 Usami等［20］在 SERINC3和 SERINC5雙敲除的CD4＋T細胞中發現,當缺乏Nef時病毒粒子的感染能力能夠增加100多倍；當重新表達SERINC3和SERINC5后,病毒感染力被明顯的抑制,證明了SERINC3和SERINC5對HIV復制的抑制作用,而Nef則能幫助病毒逃避這一限制,并且SERINC5比SERINC3在拮抗Nef時效果要明顯。同年10月,Matheson等［21］發現 Nef蛋白在 HIV-1感染對T細胞表面蛋白質組影響時,檢測到Nef可以影響SEINC3/5的亞細胞定位。

機制研究方面發現,在有些靈長動物免疫缺陷病毒感染時,Nef C端loop中基于二硫鍵的分選信號能招募AP-2(activator protein-2)來拮抗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生改變,并且阻斷病毒顆粒表面磷脂酰絲氨酸的結合位點或者改變絲氨酸的暴露程度同樣不影響SERINC5對HIV-1的限制作用［24］。 同時 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,研究發現,在此過程中Nef的肉豆蔻酰化在該過程中起著重要作用［25］。

Zhang等［26］通過對SERINC家族五個成員的系統性對比發現,SERINC5具有最強的抗病毒能力,此外在人體內檢測到的SERINC5的5種異構體中,只有Ⅰ亞型能夠高效表達,因其相對于其他的亞型,多了一個跨膜區,從而增加了蛋白的穩定性,并且產生抗病毒效力。此外其他亞型主要存在于細胞質中,而Ⅰ亞型主要存在于質膜部位,具有質膜靶向作用,起到了抗病毒的作用。同時研究發現Ⅰ亞型在外周血單核細胞和巨噬細胞中含量豐富,預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的條件不同,并且在免疫系統的所有細胞中穩定表達。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動物。通過病毒感染比較發現,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:在長期的研究中,人們發現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并被轉運、聚集于細胞膜。gp120含有中和抗原決定簇,是HIV中和抗原表位,位于gp120 V3環上。V3環區是囊膜蛋白的重要功能區,在病毒與細胞融合中起重要作用。

研究發現,有些HIV毒株的Env蛋白在不阻止SERINC5結合到新的病毒顆粒的條件下能結合SERINC5,從而抑制 SERINC5［27］,在這個過程中 V1和V2環區經過折疊插入到V3環中,增強Env構象的穩定性,促進 Env與 SERINC5的結合［20,28］。此外有報道則顯示,SERINC5促進敏感但不耐藥的Env糖蛋白發生自發性失活,并通過延遲HIV-1與細胞的融合反應來增加保守的gp41結構域的暴露,增強細胞對病毒的中和反應,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,并可能通過阻止Env的折疊從而減少融合泡的形成,減少與細胞之間融合的發生,最終限制病毒感染新的細胞［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誘導的與細胞之間的融合程度。

最近,有研究發現SERINC5定位于細胞的抗洗滌劑膜(detergent-resistant membranes,DRMs),影響HIV-1病毒的包膜蛋白的構象,同時能夠阻止HIV-1病毒顆粒的核心進入目的細胞的細胞質中,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研究中發現,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,并且可慢慢進入攜帶潛伏期［31］。S2蛋白是EIAV編碼的一個小分子輔助蛋白,與其他已知蛋白的氨基酸序列沒有同源性,在病毒的復制和疾病進展中起著重要的作用［5］。近幾年研究發現,S2蛋白與HIV的Nef蛋白的功能相似,能夠在病毒復制時,阻止SERINC3和SERINC5在新病毒顆粒上的整合,這個過程需要ExxxLL基序招募網格蛋白銜接子AP-2(Adaptor protein 2)。在該過程中,除了將SERINC3和SERINC5重定向至晚期內體腔室外,S2還可促進宿主因子降解。S2的N-末端甘氨酸是對抗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,其中機制還不是很清楚［16］。

3 總結與展望

SERINC蛋白家族作為近幾年在腫瘤中差異表達的跨膜蛋白,其抗病毒的新功能已經被確認。其中,SERINC3和SERINC5在抗病毒作用中起著重要作用。在HIV感染時,兩者能結合到病毒顆粒中并作為信號報警器阻止病毒的進一步增殖,而病毒相關蛋白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,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越被人們熟知,但其中的很多機制尚不是很清楚。首先,在病毒感染時,上調SERINC蛋白表達的機制還不是很清楚,已知SERINC3和SERINC5 mRNA表達不是由干擾素α,干擾素β,脂多糖或植物凝集素誘導的,因此SERINC3和SERINC5是如何被調控的仍然需要進一步的研究。其次,在病毒感染時,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,決定它們是否具有抗病毒作用的關鍵點是否位于非同源區需要進一步的探索。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