肖慧敏 刘悦 张文艳

宿主内存在一类蛋白,如APOBEC3,TRIM5α,SAMHD1等,它们通过不同的作用机制抑制病毒的复制,被称为宿主限制因子或天然防御因子［1,2］。病毒蛋白与宿主限制因子的相互拮抗作用一直是病毒学领域的研究热点及前沿科学问题。2015年,美国麻省大学医学院、意大利特伦托大学和瑞士日内瓦大学的研究团队同时在Nature发表论文,揭示了丝氨酸整合因子(serine incorporator,SERINC)蛋白家族成员能够抑制HIV病毒颗粒的复制。SERINC作为近几年发现的一个重要的抗病毒蛋白家族,越来越受到众多学者的关注。在哺乳动物中,SERINC家族有5个成员:SERINC1-5。从最初发现SERINC蛋白家族在肿瘤细胞中的异常表达,总结出肿瘤致癌性的转化往往伴随着SERINC蛋白家族的高表达,到探索到SERINC蛋白家族能够影响HIV等病毒颗粒的复制以及疾病的进展过程,可以推断SERINC家族蛋白能参与许多生命过程,影响不同疾病的进展。其在病毒感染过程中发挥的抗病毒作用,以及与病毒蛋白的相互拮抗作用具有重大的研究潜能。

1 SERINC蛋白家族及其功能

SERINC作为一种重要的跨膜蛋白家族,共有5个成员:SERINC1-5。其膜拓扑结构具有类似于氨基酸转运蛋白的11个跨膜区段,且均含有一个“helix-loop-helix”功能结构域。SERINC蛋白存在于所有真核细胞的质膜中,包含多个疏水结构域,几乎都编码一个N端信号肽,其氨基酸在哺乳动物中具有约31% ～58%的同源性。1994年,Lebel等［3-7］首先在睾丸腺瘤细胞株中筛选到了TDE1(即SERINC3,又称为 TMS-1,AIGP1)。2003年 SERINC2被 Player等［8］发现(当时称为 TDE2,human Tomur Differentially Expressed 2)。 之后,Inuzuka等［6］在研究小鼠脑神经兴奋实验中发现了SERINC1,并确定其主要分布在大脑皮层、海马和小脑颗粒细胞中,同时通过序列分析发现了SERINC1的人的同源氨基酸,分别将它们命名为SERINC1(人的TDE1)和SERINC5(TOP1),并在后续实验中相继确定了SERINC2,SERINC3B,SERINC4和SERINC4B。

丝氨酸(serine)是细胞内一类重要的非必需氨基酸,是磷脂酰丝氨酸和鞘脂的主要组成成分。SERINC蛋白家族能帮助极性氨基酸丝氨酸整合到细胞膜上,并促进磷酯酰丝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过程中起着非常重要的调节作用［6］。此外,研究表明,虽然SERINC蛋白与转运蛋白结构相似,但SERINC1和 SERINC3并没有任何氨基酸转运功能［4］。SERINC1在免疫细胞的发育以及功能行使时并未起到重要的作用,并且也不影响免疫细胞表面脂质的变化［9］。研究表明,哺乳动物 COS细胞中的SERINC1增强了丝氨酸与3-酮二氢鞘氨醇的结合,从而促进磷脂酰丝氨酸的合成。此外,SERINC2和SERINC5能够显著增强丝氨酸碱基交换酶和丝氨酸棕榈酰转移酶的活性,并且发现SERINC5和髓鞘质的生成密切相关［10］。

大多早期研究表明SERINC蛋白生物学活性主要与肿瘤相关［11］,并且能够在抑制细胞凋亡的同时促进肿瘤的发生［12］。研究发现SERINC3在肺癌组织中高度表达［4,13］,SERINC2在人非小细胞肺癌癌组织中高表达,并且SERINC1能够阻滞肺癌细胞的周期进程,从而抑制肺癌细胞的复制［14］。

最近研究显示SERINC蛋白家族中的SERINC3和SERINC5可以作为逆转录病毒的抑制剂,在病毒增殖时,被包装进入到病毒颗粒中,从而削弱这些病毒颗粒感染新细胞的能力,同时有些逆转录病毒也表现出相应的拮抗能力。比如对人免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)、猴免疫缺陷病毒(simian immunodeficiency virus,SIV)、马传染性贫血病毒(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蛋白家族对HIV的限制作用 HIV是一种感染人类免疫系统细胞的慢病毒(Lentivirus),属于逆转录病毒的一种。HIV的基因组RNA中含有gag、env和pol基因以及6种调控基因(tat,vif,vpr,vpx(vpu),nef,rev)。该病毒能破坏人的免疫系统,导致机体免疫缺陷,从而使得各种疾病以及癌症在人体内得以生存,最终导致艾滋病的发生。

2.1.1 SERINC与HIV-nef之间的研究:在HIV中,负调控因子(negative factor,Nef)是由HIV-1/2编码的辅助蛋白(其他的辅助蛋白还有Vif,Vpr,Vpu),同样存在于猴免疫缺陷病毒(simian immunodeficiency virus,SIV)中,并且具有高度保守性。早期的研究显示,该蛋白对病毒的复制具有抑制作用,故称为“负性因子”(Negative factor,Nef)［17-18］,但后来的研究发现在感染细胞中其能促进病毒的复制,并加速疾病病情的进程［19］。

2015年两项研究同时在Nature发表论文报道,SERINC3和SERINC5作为宿主限制因子可以抑制病毒的复制,从而降低病毒的感染力。Rosa等［15］和 Usami等［20］发现Nef作为HIV的辅助蛋白能够提高病毒感染,它能够阻止SERINC3和SERINC5结合到细胞表面,从而无法整合到新形成的病毒粒子中,进而增加病毒的感染能力。而在缺乏Nef的条件下,SERINC3和SERINC5会在病毒粒子离开宿主细胞时整合到病毒包膜中,使得新形成的病毒粒子无法感染新的宿主细胞。Rosa等［15］认为Nef能将SERINC5限制在Rab7-阳性胞内体从而与病毒粒子隔离开来。 Usami等［20］在 SERINC3和 SERINC5双敲除的CD4＋T细胞中发现,当缺乏Nef时病毒粒子的感染能力能够增加100多倍；当重新表达SERINC3和SERINC5后,病毒感染力被明显的抑制,证明了SERINC3和SERINC5对HIV复制的抑制作用,而Nef则能帮助病毒逃避这一限制,并且SERINC5比SERINC3在拮抗Nef时效果要明显。同年10月,Matheson等［21］发现 Nef蛋白在 HIV-1感染对T细胞表面蛋白质组影响时,检测到Nef可以影响SEINC3/5的亚细胞定位。

机制研究方面发现,在有些灵长动物免疫缺陷病毒感染时,Nef C端loop中基于二硫键的分选信号能招募AP-2(activator protein-2)来拮抗SERINC5的作用［22-23］。此外,SERINC5与Nef的拮抗作用不依赖于HIV-1的脂质组成与病毒颗粒组织的改变,病毒颗粒表面的磷脂酰丝氨酸水平并未发生改变,并且阻断病毒颗粒表面磷脂酰丝氨酸的结合位点或者改变丝氨酸的暴露程度同样不影响SERINC5对HIV-1的限制作用［24］。 同时 SERINC3或 SERINC5能够抑制病毒融合孔的增大,减慢病毒的增殖,而Nef能消除SERIN5蛋白引起的融合减少,研究发现,在此过程中Nef的肉豆蔻酰化在该过程中起着重要作用［25］。

Zhang等［26］通过对SERINC家族五个成员的系统性对比发现,SERINC5具有最强的抗病毒能力,此外在人体内检测到的SERINC5的5种异构体中,只有Ⅰ亚型能够高效表达,因其相对于其他的亚型,多了一个跨膜区,从而增加了蛋白的稳定性,并且产生抗病毒效力。此外其他亚型主要存在于细胞质中,而Ⅰ亚型主要存在于质膜部位,具有质膜靶向作用,起到了抗病毒的作用。同时研究发现Ⅰ亚型在外周血单核细胞和巨噬细胞中含量丰富,预示着其在抗病毒感染方面具有重要作用。

从鼠、猿、猴到人,SERINC5在抗病毒作用中具有一定的保守性,与其他宿主限制因子需要干扰素诱导的条件不同,并且在免疫系统的所有细胞中稳定表达。此外,SERINC5与不同的Nef蛋白在拮抗方面具有种间依赖性,鼠的SERINC5在抗病毒方面效力略低于灵长动物。通过病毒感染比较发现,HIV-2比 HIV-1的 Nef拮抗 SERINC5效力低［22］。

2.1.2 SERINC与HIV-Env之间的作用:在长期的研究中,人们发现SERINC家族除了与Nef蛋白的拮抗作用外,与Env蛋白也可以相互拮抗,进一步降低病毒的感染力。

Env蛋白是由env基因所编码,在宿主的蛋白酶的作用下形成gp120和gp41并被转运、聚集于细胞膜。gp120含有中和抗原决定簇,是HIV中和抗原表位,位于gp120 V3环上。V3环区是囊膜蛋白的重要功能区,在病毒与细胞融合中起重要作用。

研究发现,有些HIV毒株的Env蛋白在不阻止SERINC5结合到新的病毒颗粒的条件下能结合SERINC5,从而抑制 SERINC5［27］,在这个过程中 V1和V2环区经过折叠插入到V3环中,增强Env构象的稳定性,促进 Env与 SERINC5的结合［20,28］。此外有报道则显示,SERINC5促进敏感但不耐药的Env糖蛋白发生自发性失活,并通过延迟HIV-1与细胞的融合反应来增加保守的gp41结构域的暴露,增强细胞对病毒的中和反应,起到抑制病毒的作用。SERINC5选择性地灭活敏感的Env糖蛋白,干扰剩余活性Env的功能,并可能通过阻止Env的折叠从而减少融合泡的形成,减少与细胞之间融合的发生,最终限制病毒感染新的细胞［29］。

除了SERINC5,SERINC3也可与 Env相互拮抗,同SERINC5一起延迟病毒融合孔的增大,并降低HIV-1 Env诱导的与细胞之间的融合程度。

最近,有研究发现SERINC5定位于细胞的抗洗涤剂膜(detergent-resistant membranes,DRMs),影响HIV-1病毒的包膜蛋白的构象,同时能够阻止HIV-1病毒颗粒的核心进入目的细胞的细胞质中,从而限制 HIV-1 的感染性［30］。

2.2 SERINC蛋白家族与其他病毒的作用研究SERINC蛋白家族具有广谱的抗病毒作用,2013年,在EIAV研究中发现,SERINC3和SERINC5能够拮抗该病毒的S2蛋白,从而起到抗病毒作用。EIAV是一种骨髓嗜性慢病毒,可引起马的血小板减少以及贫血,并且可慢慢进入携带潜伏期［31］。S2蛋白是EIAV编码的一个小分子辅助蛋白,与其他已知蛋白的氨基酸序列没有同源性,在病毒的复制和疾病进展中起着重要的作用［5］。近几年研究发现,S2蛋白与HIV的Nef蛋白的功能相似,能够在病毒复制时,阻止SERINC3和SERINC5在新病毒颗粒上的整合,这个过程需要ExxxLL基序招募网格蛋白衔接子AP-2(Adaptor protein 2)。在该过程中,除了将SERINC3和SERINC5重定向至晚期内体腔室外,S2还可促进宿主因子降解。S2的N-末端甘氨酸是对抗SERINC3和SERINC5活性所必需的。此外,EIAV的包膜蛋白也具有与宿主限制因子的拮抗作用,因此表明EIAV具有双重的抗宿主限制因子作用的能力。

同样在MLV中,其编码的包膜糖蛋白可以充当HIV的Nef蛋白与SERINC5相互拮抗,但携带埃博拉病毒的糖蛋白的MLV与其自身的包膜糖蛋白作用相反,其中机制还不是很清楚［16］。

3 总结与展望

SERINC蛋白家族作为近几年在肿瘤中差异表达的跨膜蛋白,其抗病毒的新功能已经被确认。其中,SERINC3和SERINC5在抗病毒作用中起着重要作用。在HIV感染时,两者能结合到病毒颗粒中并作为信号报警器阻止病毒的进一步增殖,而病毒相关蛋白Nef,Env则能拮抗这一作用。并且在其他病毒中,如 MLV和 FIAV感染时,SERINC3和SERINC5同样能够与病毒蛋白相互作用。此外,SERINC蛋白家族的其他成员在疾病发生中也扮演着重要角色。

虽然SERINC蛋白家族的抗病毒作用越来越被人们熟知,但其中的很多机制尚不是很清楚。首先,在病毒感染时,上调SERINC蛋白表达的机制还不是很清楚,已知SERINC3和SERINC5 mRNA表达不是由干扰素α,干扰素β,脂多糖或植物凝集素诱导的,因此SERINC3和SERINC5是如何被调控的仍然需要进一步的研究。其次,在病毒感染时,具有高度同源性的SERINC蛋白家族成员之间的相互作用的研究也不是很详细,决定它们是否具有抗病毒作用的关键点是否位于非同源区需要进一步的探索。另外,SERINC蛋白家族除了 SERINC3和SERINC5之外,其他的家族成员在抗病毒作用方面的研究也需要进一步的深入的研究。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进一步的探究,以期拓宽SERINC蛋白家族抗病毒研究的范围,从而为抗病毒治疗找到新的治疗思路。

利益冲突:无