流感病毒基因组结构及其编码蛋白研究进展_闫若潜

动物医学进展, 2004, 25(1) :32-35流感病毒基因组结构及其编码蛋白研究进展

闫若潜, 杜向党

(中国农业大学动物医学院, 北京100094)

中国分类号:S 852. 659. 5             文献标识码:A

文章编号:1007-5038(2004) 01-0032-04

摘 要:由流感病毒引起的流感是严重危害人类和畜禽健康的一种传染病。此病的暴发给世界上许多国家和地区造成了巨大的经济损失。对流感病毒基因组结构及其编码蛋白质的研究有助于进一步加强对流感的治疗和预防。流感病毒含8个负链单股独立的RNA 片段, 共编码10种蛋白。每种蛋白具有不同的结构和功能。文章主要对流感病毒不同基因片段的结构特征及其编码的结构蛋白及非结构蛋白的形态结构、功能、免疫学特性等方面的分子生物学最新研究进展进行了综述。

关键词:流感病毒; 基因组结构与蛋白; 结构与功能; 免疫学特性

流感病毒(Influenza virus ) 属正黏病毒科, 流感病毒属。按照病毒核蛋白(NP) 和基质蛋白(M ) 的不同可分为A 、B 、C 三个型。A 型流感病毒又可根据病毒粒子血凝素(HA) 和神经氨酸酶(NA ) 蛋白抗原性的不同分为不同的亚型。B 、C 型流感病毒只可感染人类, 但A 型流感病毒除感染人类外还可以感染马、猪、禽及其他哺乳动物。随着现代生物技术的发展, 有关流感病毒基因组、基因组所编码的蛋白质等方面的研究不断深入, 并已取得了一定的进展, 现以A 型流感病毒为例综述如下。

它们分别构成了流感病毒复制所必须的酶类、感染细胞时吸附细胞表面受体的纤突、维持病毒形态的基质膜、核衣壳蛋白等, 具有重要功能。

2. 1 RNA 聚合酶

片段1和片段2的长度均为2341个核苷酸, 片段3的长度为2233个核苷酸。片段1的编码区从第28~2307位核苷酸, 编码PB 2蛋白(757个氨基酸) ; 片段2编码区从第25~2298位核苷酸, 编码PB1蛋白(757个氨基酸) 、片段3的编码区从第25~2175位氨基酸, 编码PA 蛋白(716个氨基酸) 。PB2、PB1、PA 的分子量分别为8. 7万, 9. 6万, 8. 5万, 是病毒粒子中分子量最大的蛋白质。三者共同构成病毒的RNA 聚体酶, 参与病毒RNA 的复制。这3种蛋白质均在感染细胞的胞浆内合成, 随后形成多聚酶复合物并转移到胞核, 在此催化合成病毒基因组的RNA 。

流感病毒的PB1序列中含有所有RNA 依赖的RNA 聚合酶, 有四个保守基序。PB1的功能是在病毒mRN A 合成开始后催化新合成链的延伸反应。PB2的功能是识别并切割宿主细胞的mRNA 帽状结构以产生用于病毒RNA 转录的引物。但PB2的切割功能必须与PB1和PA 结合在一起方可完成。PA 在病毒RNA 的合成过程中的作用尚不太清楚, 只知它在病毒RNA 转录和复制过程中与PB1和PB2一起随链的延伸而移动, 为病毒RNA 的转录和复制所必须。推测PA 可能是一种蛋白激酶或解旋蛋白[2]。

1 流感病毒基因组结构

典型的流感病毒粒子呈球状, 直径80~120nm 。病毒的核酸外包被着由核衣壳(NP ) 构成的壳粒。病毒粒子表面有囊膜, 囊膜表面有血凝素(HA ) 和神经氨酸酶(NA) 两种纤突。流感病毒的核酸是负链单股RNA , 其基因组共有8个独立的RNA 片段(分别以片段1~8命名) 组成, 核酸总长度约为13. 6kb 。这8个片段共编码10种蛋白质, 其中8种为结构蛋白, 包括PB1、PB2、PA 、H A 、NA 、NP 、M 1、M 2, 而NS1、NS2为非结构蛋白。病毒基因组的所有RNA 片段5′未端的13个核苷酸及3′未端的12个核苷酸高度保守, 5′未端的核苷酸序列为:AGU AGAA ACAA GA, 3′未端为AGC-GAAA GCAGG 。各型病毒间该保守区的序列略有差异。下以人流感病毒株A /PR /8/34(H 1N 1) 为例加以阐[1]

述。

2. 2 血凝素

病毒RN A 片段4编码流感病毒的主要膜蛋白血凝素(HA) 。该片段的变异率很高, 不同亚型的毒株或同一亚型的不同毒株均有差异。HA 的分子量为7. 5万, 各型及亚型间的HA 基因长度从1742~1778个核苷酸不等, 在5′端和3′端分别有20和35个核苷酸的非翻译区, 编码区由1698个核苷酸编码566个氨基酸。

HA 属Ⅰ型糖蛋白, 在自然状态下HA 以三聚体形式存在于双层类脂层上, 呈棒状。HA 蛋白是病毒的主要纤突蛋白之一, 也是流感病毒的主要免疫原性蛋白。HA 与血凝活性有关, 能刺激机体产生中和抗体。A 型流感病毒的HA 有15个亚型。

在HA 和NA 介导的抗体的选择压力下, HA 基因极易发生变异, 从而引起流感病毒的抗原漂移(anti-2 流感病毒8个基因片段及其编码蛋白

g enic drift) 和抗原转变(antigenic shift) 。HA 蛋白在病

蛋白质是流感病毒的主要成分, 约占70%~75%。

毒的吸附和穿膜过程中起作用。其合成首先是在细胞内

(, , X

闫若潜等:流感病毒基因组结构及其编码蛋白研究进展

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质网合成HA 的蛋白前体(HA 0) , 随后到达并嵌入细胞膜的脂质双层, 在病毒出芽时被带到病毒囊膜上。HA0在宿主体内蛋白酶的作用下裂解为HA1(分子量4. 7万, 含319~328个氨基酸) 和HA2(分子量2. 9万, 含221~222个氨基酸) 两个多肽。

HA 裂解为HA 1和HA2是病毒感染宿主细胞的先决条件。在pH 5. 0~5. 5时最适合HA 发生融膜, 此时HA 空间构象发生改变以适应融膜反应。HA 1(4. 6万~6. 5万) 主要构成球状的头部, HA2(2. 1万~3. 0万) 主要构成纤维状的茎部, 其作用是把HA 固定在囊膜上。HA1和HA2通过二硫键构成单体HA 分子。HA 1是流感病毒产生主要中和抗体的部位。人类H3N2株流感病毒的HA 的头部(HA1) 有5个抗原结

[3]

合位点和受体结合位点。在禽流感H 5株的H A 头部也有相似的抗原位点。Lambkin 等[4]报道用A 型流感病毒灭活疫苗免疫兔子后产生的HI 抗体70%是针对HA 蛋白B 抗原表位而产生的。HA 1基因变异性最大, HA1发生抗原漂移或转变, 可以使病毒逃避机体已有的免疫反应。而HA 2基因则相对保守, 在HA2上存在能诱导产生交叉反应抗体的抗原表位。Tonegaw a 等分别用含HA 基因和H A1基因的DNA 疫苗免疫小鼠, 结果二者产生的抗体水平及对小鼠进行攻毒试验时的保护率均相似, 且相对于HA 蛋白的抗血清只可和HA 1而不能与HA 2反应。相对于H A 、HA 1蛋白的抗血清均可和HA1上已知的抗原位点反应, 说明HA1是流感病毒主要的免疫原[5]。

HA 的裂解活性为病毒具有感染性和病毒在宿主体内的传播所必需。宿主细胞中有两类蛋白酶与流感病毒的裂解活性有关。一类酶为胰蛋白酶类蛋白酶, 它能同时裂解低致病力毒株(LPIV ) 和高致病力毒株(HPIV ) 的HA , 这类蛋白酶只存在于有限的细胞和组织内, 故使病毒的感染只局限于局部部位。另一类酶为枯草杆菌蛋白酶类, 只能裂解高致病力毒株的HA , 这类酶在体内广泛存在。因此高致病力毒株的流感病毒能在大部分组织和细胞内复制, 从而引起广泛的组织和器管损伤[6]。

HA 蛋白含有多种糖类, 糖分子的侧链可覆盖或部分覆盖糖基化位点及其周围的氨基酸残基, 故糖基化位点的增加或减少对病毒的抗原性和其他生物学特性有一定的影响。HA 的裂解性受裂解位点处的氨基酸序列和位点附近糖基化的影响。低致病力毒株在裂解位点处只有一个碱性氨基酸精氨酸(R ) , 而高致病力毒株有多个碱性氨基酸[7]。多数流感病毒的在HA 1的C 端为精氨酸(R) , HA2的N 端为苷氨酸(G) , 也有少部份HA1的C 端为赖氨酸(K ) [8]。H 5亚型HA 1C 端上游的脯氨酸(P) 和谷氨酸(Q ) 在不同毒株中保守。所有从自然界分离的低致病力H 5毒株在Q 和G 之间大部分具有四个保守氨基酸R-E-T -R, 即-P-Q-R-E-T -R //G (“//”

为裂解位点) ; 而高致病力的H 5毒株当HA 裂解位点附近无糖基化侧链时, 其序列为-P-Q-B-X-B-R//G (B 为任何碱性氨基酸) , 若HA 裂解位点附近有糖基化侧, , X -B -R //G 或-P -Q -B (X ) -X (B ) -B -X -B -R //G , 否则致

[9]

病力不高。对于H7亚型, 高致病力毒株在裂解位点

[10]

处所需的氨基酸最小序列为R -X -B -R //G 。

流感病毒HA 蛋白良好的免疫原性使其成为制备基因工程疫苗的首选抗原。Kodihalli 等将AIV H 5株的NP/HA 与ISCOM s 相结合后制成亚单位疫苗免疫火鸡, 产生的抗体能使火鸡避免同源和异源流感病毒的感染。随后, Kodihalli 等又用编码H5N1亚型HA 基因的DNA 疫苗免疫鸡和鼠, 结果可以产生与常规的完

[11][12]

整病毒疫苗一样好的免疫效果。Craw ford 等用杆状病毒表达系统表达了流感病毒H 5、H 7亚型的HA 蛋白, 用该提纯蛋白免疫SPF 鸡后产生的抗体滴度及保护力与用完整病毒免疫SPF 鸡后的效力相当。

2. 3 核蛋白

流感病毒的核衣壳蛋白(NP) 是由病毒RNA 片段5编码的主要结构蛋白。共有1565个核苷酸, 自46-1542位为NP 的编码区, 编码498个氨基酸。NP 蛋白与病毒组RNA 及病毒聚合酶的3个亚单位PB 1、PB 2、PA 相连, 构成核糖核衣壳蛋白(RNP) 复合体, 参与RNA 的复制和转录, 在病毒的装配和RNA 的合成过程中起作用。NP 蛋白是保守的结构蛋白, 在病毒进化过程中变异率很低。NP 蛋白和M 蛋白决定流感病毒的型特异性, 是病毒分型的依据。

对流感病毒NP 蛋白的免疫原性研究表明, 在N P 蛋白上存在有保守的CT L 表位和交叉保护抗原表位, 故能否将NP 蛋白作为流感病毒基因工程疫苗的添加

[13]

成分成为NP 蛋白研究的重点。Levi 等用沙门氏菌鞭毛蛋白为载体, 构建了含流感病毒B 细胞表位(HA91~108) 、T h 细胞表位(NP55~69) 、CTL 细胞表位(NP 147~158) 的人工合成表位疫苗, 免疫青年小鼠后, 小鼠肺中病毒滴度下降了99%, 可完全抵抗同亚型病毒株的攻毒, 对异亚型株有部分交叉保护。而用单含B 细胞表位的疫苗却只能对小鼠提供部分保护。Brow n 等[14]将禽流感病毒的NP 基因插入反转录病毒载体(mRCAS/NP) 中, 用表达后的mRCAS/NP 接种鸡, 4周后可检测到NP 特异性抗体, 但用高致病力的AIV

[15]

攻毒后, 没有表现出明显的保护力。Gschoesser 等发现在进行体外试验时, 当有白介素2(IL -2) 存在时, 重

++

组流感病毒NP 蛋白可以诱导纯化的人CD4和CD8T 细胞发生增生反应。

2. 4 神经氨酸酶

神经氨酸酶(NA) 蛋白由病毒RNA 片段6编码, 有1413个核苷酸, 自21~1381位为NA 蛋白的编码区, 共编码453个氨基酸。NA 和HA 蛋白一起构成病毒囊膜的纤突。A 型流感病毒的NA 有9个亚型。NA 属Ⅱ型糖蛋白, 呈四聚体结构。电镜下NA 单体呈蘑菇状, 由球状的头部和纤细的茎部组成。头部有与唾液酸结合部位, 呈口袋状, 其构成部位的氨基酸残基在各型及亚型间高度保守, 若人为改变这些氨基酸残基会使NA 蛋白失去活性。茎部的主要功能是帮助形成四聚体。NA 蛋白的主要作用是清除病毒颗粒表面及感染细

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动物医学进展 2004年 第25卷 第1期(总第129期)

的聚集很重要。NA 在决定宿主范围方面起着一定作用, 对保护宿主也很重要。

NA 诱导机体产生的特异性抗体虽不能给动物提供完全免疫保护, 但可在一定程度上减轻发病时的临床症状及降低死亡率, 并可提供部份交叉保护。向H 3N 2灭活疫苗中混入提纯的N2亚型的NA 蛋白免疫小鼠后可产生高水平的NA 抗体, 该抗体不影响HA 的抗体产生水平和免疫效果, 并能抵抗相同亚型流感病毒的感

[16]。

染且能明显地抑制异型流感病毒在小鼠肺中的复制用杆状病毒表达系统共表达的流感病毒HA 和NA 蛋白免疫小鼠后可相应地提高抗HA 和NA 的抗体滴度, 并对异源性毒株攻击的保护性增强[17]。Yoshikaw at 等[18]报道用大剂量的纯化NA 蛋白作为鼻内接种疫苗

[19]

的添加成分可提高疫苗的保护力。乔传玲等用禽痘病毒共表达禽流感病毒H 5N 1株的HA 和NA 蛋白, 免疫鸡后产生的抗体除对H5N1的攻毒产生保护外, 还可对H 7N 1的攻毒进行交叉保护。说明NA 可以作为交叉保护抗原成为基因工程疫苗的潜在添加成分。

毒突变株作为弱毒活疫苗, 免疫小鼠后可以很好地保护小鼠抵抗致死剂量流感病毒的攻毒。Okudak 等[23]将含流感病毒株H 1N1亚型M1、M 2基因的DNA 疫苗免疫小鼠, 小鼠可以产生相对于M 1、M 2蛋白的特异性抗体应答, 但未检测到抗流感病毒的中和抗体。用同亚型流感病毒攻毒后, 有70%~80%的小鼠获得了保护, 而对照组小鼠全部死亡。

目前对M 2蛋白免疫学特性研究主要集中在对M 2的膜外区域(M 2e) 区的研究。M2e 较为保守, 在感染的细胞表面表达丰富。其N 端的最初9个氨基酸高度保守, 而且M1蛋白N 端也有和M2e 相同的9个保守氨

[24]

基酸。Neir ynck 等将M 2e 基因和B 型肝炎病毒核心蛋白基因(HBc) 融合, 用大肠杆菌表达了此融合基因(M 2HBc ) 。以此融合表达蛋白免疫小鼠后产生的抗体可保护90%~100%的小鼠抵抗致死剂量流感病毒的攻毒试验。作者认为M 2e 介导的抗体可对机体提供更广谱、持久的免疫力。Liu 等[25]根据A 型流感病毒株M 2e 区的氨基酸序列合成四条肽段疫苗免疫兔子, 结果只有含整个M 2e 和含N 未端最初9个保守氨基酸的2. 5 基质蛋白

B 型流感病毒株编码基质蛋白(M ) 的片段7总长约1027个核苷肽段疫苗产生的抗体可以明显抑制A 、

酸, 5′端和3′端分别有25和23个核苷酸的非编码区。在MDCK 细胞上的复制, 而相对应于M 2e 中部和C 未该片段有3个ORF , 分别翻译为M 1、M 2和M 3蛋白。端氨基酸序列的合成肽疫苗产生的抗体却不能有效抑M 3蛋白与M 1由相同的读码框转录, 其编码的氨基酸制。推测M 2e N 未端含有能诱导在体外抑制流感病毒长度只有9个, 目前这一肽段尚未分离到, 功能未知。编复制的抗体的表位。码M 1和M 2的ORF 间存在71个核苷酸的重叠, 分别2. 6 非结构蛋白位于1~26位, 715~759位。片段8最短, 含890个氨基酸, 编码NS 蛋白, 包括

M 1由252个氨基酸组成, 分子量为2. 6万, 是病两个ORF 。ORF1自28~648位核苷酸, 编码含207个毒的主要结构蛋白。M 1位于病毒囊膜的类脂双层的内氨基酸的NS 1蛋白, 分子量为2. 6万。ORF 2的核苷酸侧、核衣壳的外侧, 可以通过静电作用和ssRNA 非特从27~56和529~864位, 编码有121个氨基酸的NS2异性地结合。M 1的X 射线晶体结构呈二聚体结构。M 1蛋白, 分子量为1. 4万。两个编码区有部份重叠。的功能是维持病毒的形态; 在病毒的装配、转录和出芽NS 蛋白是流感病毒的非结构蛋白。NS1存在于宿过程中起作用。M 1蛋白具有型特异性, 和NP 蛋白一起主细胞的细胞核中。NS1蛋白在流感病毒感染的早期成为病毒分型的依据。细胞内可检测到, 而在成熟的病毒粒子中则检测不到。

M 2由97个氨基酸残基组成, 分子量约1. 5万, 为NS1有两个功能区域, 一个是位于氨基未端的RNA 结穿膜蛋白。其膜外区(M 2e) 、穿膜区、胞浆区分别由24、合区, 另一个是位于NS1分子中部的受动器(effector ) 19和54个氨基酸组成。M 2蛋白主要以四聚体的形式区。A 型流感病毒的NS1蛋白可与病毒的RNA 结合在存在感染细胞的细胞膜上, 其主要作用是在HA 合成过RNA 开始转录后发挥独特的调节功能。程中作为离子通道控制高尔基体内的PH 值, 在病毒脱NS1的功能可能是抵抗宿主细胞产生的干扰素的壳过程中酸化病毒粒子的内部环境。M 2蛋白的离子通活性。拮抗干扰素的NS 1蛋白具有干扰素依赖性抗程道活性可被抗流感病毒药物(如盐酸金刚烷胺) 特异性序性细胞死亡作用。NS1具有调节功能, 如可抑制宿主地抑制。M 2蛋白在所有A 型流感病毒中保守, 可潜在细胞mRNA 的聚酰苷酸化; 抑制已发生聚酰苷化的宿地为所有A 型流感病毒提供交叉保护。与HA 蛋白相主细胞mRNA 从细胞核内逸出等。NS1还可以调节病比, 相对于M 2蛋白的抗体不易得到, 且其不能中和病毒RNA 的转录和复制, 如抑制病毒m RNA 的剪切, 促毒, 但该抗体可将M 2结合到感染的宿主细胞上并通过进病毒RNA 的翻译等。蛋白激酶R(PKR) 是干扰素介

[20]

干扰病毒粒子的出芽而干扰病毒的复制。导的双链RNA (dsRNA ) 依赖的蛋白激酶, NS 1可直接

近年来对M 2蛋白的免疫原性进行了较多的研究。和PKR 作用抑制PKR 发挥作用, 也可以通过和双链

[26]

M 2蛋白可以诱导CTL 细胞反应, 具有交叉保护能力, dsRNA 结合而抑制胞内PKR 的活性。是制备基因工程疫苗的潜在候选抗原。Slepushkin NS2蛋白大量存在于宿主细胞的细胞浆中, 其合[21]

等报道用杆状病毒表达系统表达的M 2蛋白免疫小成较晚。病毒粒子中含有NS 2蛋白。NS 2蛋白带有引导鼠后可保护小鼠在高致病力毒株和异型毒株攻毒时免RNP 出细胞核的信号区, 在病毒的RNP 从细胞核进入

[22]

于死亡。Watanabe 等用缺失M 2穿膜区29~31位氨细胞质的过程中起作用。NS2蛋白的C 未端有相对刚,

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从而在RNP 自细胞核进入细胞质的过程中易于被识别[27]。

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Research Progress in Genomic Structures and Proteins of Influenza virus

(V eter inary M edicine Colle ge of China A gr icultural Univ ersity , B eij ing , 100094, China )

YAN Ruo -qian , DU Xiang -dang

Abstract :Influenza is an infectious disease that can threat human health and anim al husbandry ser io usly and has caused great econom ic losses in the past years . T he studies on the g enom ic structures and proteins of influenza virus are helpful to enhance the therapy and prevention of the influenza. The patho gens o f the influenza is in-fluenza virus , whose g enom e is seg mented , com posed of eight pieces of single -stranded negativ e -sense RNA .

Viral genome code for 10pro teins, each of w hich has important function. The paper focused on the resear ch ad-vances in the genomic structure characters o f influenza virus and the morphostructure, im muno logical charac-ters, functio ns of the viral structural and no nstructural pr oteins.

Key words :Influenza virus; g enom e and proteins; functions and structure; immunolog ical char acters

动物医学进展, 2004, 25(1) :32-35流感病毒基因组结构及其编码蛋白研究进展

闫若潜, 杜向党

(中国农业大学动物医学院, 北京100094)

中国分类号:S 852. 659. 5             文献标识码:A

文章编号:1007-5038(2004) 01-0032-04

摘 要:由流感病毒引起的流感是严重危害人类和畜禽健康的一种传染病。此病的暴发给世界上许多国家和地区造成了巨大的经济损失。对流感病毒基因组结构及其编码蛋白质的研究有助于进一步加强对流感的治疗和预防。流感病毒含8个负链单股独立的RNA 片段, 共编码10种蛋白。每种蛋白具有不同的结构和功能。文章主要对流感病毒不同基因片段的结构特征及其编码的结构蛋白及非结构蛋白的形态结构、功能、免疫学特性等方面的分子生物学最新研究进展进行了综述。

关键词:流感病毒; 基因组结构与蛋白; 结构与功能; 免疫学特性

流感病毒(Influenza virus ) 属正黏病毒科, 流感病毒属。按照病毒核蛋白(NP) 和基质蛋白(M ) 的不同可分为A 、B 、C 三个型。A 型流感病毒又可根据病毒粒子血凝素(HA) 和神经氨酸酶(NA ) 蛋白抗原性的不同分为不同的亚型。B 、C 型流感病毒只可感染人类, 但A 型流感病毒除感染人类外还可以感染马、猪、禽及其他哺乳动物。随着现代生物技术的发展, 有关流感病毒基因组、基因组所编码的蛋白质等方面的研究不断深入, 并已取得了一定的进展, 现以A 型流感病毒为例综述如下。

它们分别构成了流感病毒复制所必须的酶类、感染细胞时吸附细胞表面受体的纤突、维持病毒形态的基质膜、核衣壳蛋白等, 具有重要功能。

2. 1 RNA 聚合酶

片段1和片段2的长度均为2341个核苷酸, 片段3的长度为2233个核苷酸。片段1的编码区从第28~2307位核苷酸, 编码PB 2蛋白(757个氨基酸) ; 片段2编码区从第25~2298位核苷酸, 编码PB1蛋白(757个氨基酸) 、片段3的编码区从第25~2175位氨基酸, 编码PA 蛋白(716个氨基酸) 。PB2、PB1、PA 的分子量分别为8. 7万, 9. 6万, 8. 5万, 是病毒粒子中分子量最大的蛋白质。三者共同构成病毒的RNA 聚体酶, 参与病毒RNA 的复制。这3种蛋白质均在感染细胞的胞浆内合成, 随后形成多聚酶复合物并转移到胞核, 在此催化合成病毒基因组的RNA 。

流感病毒的PB1序列中含有所有RNA 依赖的RNA 聚合酶, 有四个保守基序。PB1的功能是在病毒mRN A 合成开始后催化新合成链的延伸反应。PB2的功能是识别并切割宿主细胞的mRNA 帽状结构以产生用于病毒RNA 转录的引物。但PB2的切割功能必须与PB1和PA 结合在一起方可完成。PA 在病毒RNA 的合成过程中的作用尚不太清楚, 只知它在病毒RNA 转录和复制过程中与PB1和PB2一起随链的延伸而移动, 为病毒RNA 的转录和复制所必须。推测PA 可能是一种蛋白激酶或解旋蛋白[2]。

1 流感病毒基因组结构

典型的流感病毒粒子呈球状, 直径80~120nm 。病毒的核酸外包被着由核衣壳(NP ) 构成的壳粒。病毒粒子表面有囊膜, 囊膜表面有血凝素(HA ) 和神经氨酸酶(NA) 两种纤突。流感病毒的核酸是负链单股RNA , 其基因组共有8个独立的RNA 片段(分别以片段1~8命名) 组成, 核酸总长度约为13. 6kb 。这8个片段共编码10种蛋白质, 其中8种为结构蛋白, 包括PB1、PB2、PA 、H A 、NA 、NP 、M 1、M 2, 而NS1、NS2为非结构蛋白。病毒基因组的所有RNA 片段5′未端的13个核苷酸及3′未端的12个核苷酸高度保守, 5′未端的核苷酸序列为:AGU AGAA ACAA GA, 3′未端为AGC-GAAA GCAGG 。各型病毒间该保守区的序列略有差异。下以人流感病毒株A /PR /8/34(H 1N 1) 为例加以阐[1]

述。

2. 2 血凝素

病毒RN A 片段4编码流感病毒的主要膜蛋白血凝素(HA) 。该片段的变异率很高, 不同亚型的毒株或同一亚型的不同毒株均有差异。HA 的分子量为7. 5万, 各型及亚型间的HA 基因长度从1742~1778个核苷酸不等, 在5′端和3′端分别有20和35个核苷酸的非翻译区, 编码区由1698个核苷酸编码566个氨基酸。

HA 属Ⅰ型糖蛋白, 在自然状态下HA 以三聚体形式存在于双层类脂层上, 呈棒状。HA 蛋白是病毒的主要纤突蛋白之一, 也是流感病毒的主要免疫原性蛋白。HA 与血凝活性有关, 能刺激机体产生中和抗体。A 型流感病毒的HA 有15个亚型。

在HA 和NA 介导的抗体的选择压力下, HA 基因极易发生变异, 从而引起流感病毒的抗原漂移(anti-2 流感病毒8个基因片段及其编码蛋白

g enic drift) 和抗原转变(antigenic shift) 。HA 蛋白在病

蛋白质是流感病毒的主要成分, 约占70%~75%。

毒的吸附和穿膜过程中起作用。其合成首先是在细胞内

(, , X

闫若潜等:流感病毒基因组结构及其编码蛋白研究进展

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质网合成HA 的蛋白前体(HA 0) , 随后到达并嵌入细胞膜的脂质双层, 在病毒出芽时被带到病毒囊膜上。HA0在宿主体内蛋白酶的作用下裂解为HA1(分子量4. 7万, 含319~328个氨基酸) 和HA2(分子量2. 9万, 含221~222个氨基酸) 两个多肽。

HA 裂解为HA 1和HA2是病毒感染宿主细胞的先决条件。在pH 5. 0~5. 5时最适合HA 发生融膜, 此时HA 空间构象发生改变以适应融膜反应。HA 1(4. 6万~6. 5万) 主要构成球状的头部, HA2(2. 1万~3. 0万) 主要构成纤维状的茎部, 其作用是把HA 固定在囊膜上。HA1和HA2通过二硫键构成单体HA 分子。HA 1是流感病毒产生主要中和抗体的部位。人类H3N2株流感病毒的HA 的头部(HA1) 有5个抗原结

[3]

合位点和受体结合位点。在禽流感H 5株的H A 头部也有相似的抗原位点。Lambkin 等[4]报道用A 型流感病毒灭活疫苗免疫兔子后产生的HI 抗体70%是针对HA 蛋白B 抗原表位而产生的。HA 1基因变异性最大, HA1发生抗原漂移或转变, 可以使病毒逃避机体已有的免疫反应。而HA 2基因则相对保守, 在HA2上存在能诱导产生交叉反应抗体的抗原表位。Tonegaw a 等分别用含HA 基因和H A1基因的DNA 疫苗免疫小鼠, 结果二者产生的抗体水平及对小鼠进行攻毒试验时的保护率均相似, 且相对于HA 蛋白的抗血清只可和HA 1而不能与HA 2反应。相对于H A 、HA 1蛋白的抗血清均可和HA1上已知的抗原位点反应, 说明HA1是流感病毒主要的免疫原[5]。

HA 的裂解活性为病毒具有感染性和病毒在宿主体内的传播所必需。宿主细胞中有两类蛋白酶与流感病毒的裂解活性有关。一类酶为胰蛋白酶类蛋白酶, 它能同时裂解低致病力毒株(LPIV ) 和高致病力毒株(HPIV ) 的HA , 这类蛋白酶只存在于有限的细胞和组织内, 故使病毒的感染只局限于局部部位。另一类酶为枯草杆菌蛋白酶类, 只能裂解高致病力毒株的HA , 这类酶在体内广泛存在。因此高致病力毒株的流感病毒能在大部分组织和细胞内复制, 从而引起广泛的组织和器管损伤[6]。

HA 蛋白含有多种糖类, 糖分子的侧链可覆盖或部分覆盖糖基化位点及其周围的氨基酸残基, 故糖基化位点的增加或减少对病毒的抗原性和其他生物学特性有一定的影响。HA 的裂解性受裂解位点处的氨基酸序列和位点附近糖基化的影响。低致病力毒株在裂解位点处只有一个碱性氨基酸精氨酸(R ) , 而高致病力毒株有多个碱性氨基酸[7]。多数流感病毒的在HA 1的C 端为精氨酸(R) , HA2的N 端为苷氨酸(G) , 也有少部份HA1的C 端为赖氨酸(K ) [8]。H 5亚型HA 1C 端上游的脯氨酸(P) 和谷氨酸(Q ) 在不同毒株中保守。所有从自然界分离的低致病力H 5毒株在Q 和G 之间大部分具有四个保守氨基酸R-E-T -R, 即-P-Q-R-E-T -R //G (“//”

为裂解位点) ; 而高致病力的H 5毒株当HA 裂解位点附近无糖基化侧链时, 其序列为-P-Q-B-X-B-R//G (B 为任何碱性氨基酸) , 若HA 裂解位点附近有糖基化侧, , X -B -R //G 或-P -Q -B (X ) -X (B ) -B -X -B -R //G , 否则致

[9]

病力不高。对于H7亚型, 高致病力毒株在裂解位点

[10]

处所需的氨基酸最小序列为R -X -B -R //G 。

流感病毒HA 蛋白良好的免疫原性使其成为制备基因工程疫苗的首选抗原。Kodihalli 等将AIV H 5株的NP/HA 与ISCOM s 相结合后制成亚单位疫苗免疫火鸡, 产生的抗体能使火鸡避免同源和异源流感病毒的感染。随后, Kodihalli 等又用编码H5N1亚型HA 基因的DNA 疫苗免疫鸡和鼠, 结果可以产生与常规的完

[11][12]

整病毒疫苗一样好的免疫效果。Craw ford 等用杆状病毒表达系统表达了流感病毒H 5、H 7亚型的HA 蛋白, 用该提纯蛋白免疫SPF 鸡后产生的抗体滴度及保护力与用完整病毒免疫SPF 鸡后的效力相当。

2. 3 核蛋白

流感病毒的核衣壳蛋白(NP) 是由病毒RNA 片段5编码的主要结构蛋白。共有1565个核苷酸, 自46-1542位为NP 的编码区, 编码498个氨基酸。NP 蛋白与病毒组RNA 及病毒聚合酶的3个亚单位PB 1、PB 2、PA 相连, 构成核糖核衣壳蛋白(RNP) 复合体, 参与RNA 的复制和转录, 在病毒的装配和RNA 的合成过程中起作用。NP 蛋白是保守的结构蛋白, 在病毒进化过程中变异率很低。NP 蛋白和M 蛋白决定流感病毒的型特异性, 是病毒分型的依据。

对流感病毒NP 蛋白的免疫原性研究表明, 在N P 蛋白上存在有保守的CT L 表位和交叉保护抗原表位, 故能否将NP 蛋白作为流感病毒基因工程疫苗的添加

[13]

成分成为NP 蛋白研究的重点。Levi 等用沙门氏菌鞭毛蛋白为载体, 构建了含流感病毒B 细胞表位(HA91~108) 、T h 细胞表位(NP55~69) 、CTL 细胞表位(NP 147~158) 的人工合成表位疫苗, 免疫青年小鼠后, 小鼠肺中病毒滴度下降了99%, 可完全抵抗同亚型病毒株的攻毒, 对异亚型株有部分交叉保护。而用单含B 细胞表位的疫苗却只能对小鼠提供部分保护。Brow n 等[14]将禽流感病毒的NP 基因插入反转录病毒载体(mRCAS/NP) 中, 用表达后的mRCAS/NP 接种鸡, 4周后可检测到NP 特异性抗体, 但用高致病力的AIV

[15]

攻毒后, 没有表现出明显的保护力。Gschoesser 等发现在进行体外试验时, 当有白介素2(IL -2) 存在时, 重

++

组流感病毒NP 蛋白可以诱导纯化的人CD4和CD8T 细胞发生增生反应。

2. 4 神经氨酸酶

神经氨酸酶(NA) 蛋白由病毒RNA 片段6编码, 有1413个核苷酸, 自21~1381位为NA 蛋白的编码区, 共编码453个氨基酸。NA 和HA 蛋白一起构成病毒囊膜的纤突。A 型流感病毒的NA 有9个亚型。NA 属Ⅱ型糖蛋白, 呈四聚体结构。电镜下NA 单体呈蘑菇状, 由球状的头部和纤细的茎部组成。头部有与唾液酸结合部位, 呈口袋状, 其构成部位的氨基酸残基在各型及亚型间高度保守, 若人为改变这些氨基酸残基会使NA 蛋白失去活性。茎部的主要功能是帮助形成四聚体。NA 蛋白的主要作用是清除病毒颗粒表面及感染细

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动物医学进展 2004年 第25卷 第1期(总第129期)

的聚集很重要。NA 在决定宿主范围方面起着一定作用, 对保护宿主也很重要。

NA 诱导机体产生的特异性抗体虽不能给动物提供完全免疫保护, 但可在一定程度上减轻发病时的临床症状及降低死亡率, 并可提供部份交叉保护。向H 3N 2灭活疫苗中混入提纯的N2亚型的NA 蛋白免疫小鼠后可产生高水平的NA 抗体, 该抗体不影响HA 的抗体产生水平和免疫效果, 并能抵抗相同亚型流感病毒的感

[16]。

染且能明显地抑制异型流感病毒在小鼠肺中的复制用杆状病毒表达系统共表达的流感病毒HA 和NA 蛋白免疫小鼠后可相应地提高抗HA 和NA 的抗体滴度, 并对异源性毒株攻击的保护性增强[17]。Yoshikaw at 等[18]报道用大剂量的纯化NA 蛋白作为鼻内接种疫苗

[19]

的添加成分可提高疫苗的保护力。乔传玲等用禽痘病毒共表达禽流感病毒H 5N 1株的HA 和NA 蛋白, 免疫鸡后产生的抗体除对H5N1的攻毒产生保护外, 还可对H 7N 1的攻毒进行交叉保护。说明NA 可以作为交叉保护抗原成为基因工程疫苗的潜在添加成分。

毒突变株作为弱毒活疫苗, 免疫小鼠后可以很好地保护小鼠抵抗致死剂量流感病毒的攻毒。Okudak 等[23]将含流感病毒株H 1N1亚型M1、M 2基因的DNA 疫苗免疫小鼠, 小鼠可以产生相对于M 1、M 2蛋白的特异性抗体应答, 但未检测到抗流感病毒的中和抗体。用同亚型流感病毒攻毒后, 有70%~80%的小鼠获得了保护, 而对照组小鼠全部死亡。

目前对M 2蛋白免疫学特性研究主要集中在对M 2的膜外区域(M 2e) 区的研究。M2e 较为保守, 在感染的细胞表面表达丰富。其N 端的最初9个氨基酸高度保守, 而且M1蛋白N 端也有和M2e 相同的9个保守氨

[24]

基酸。Neir ynck 等将M 2e 基因和B 型肝炎病毒核心蛋白基因(HBc) 融合, 用大肠杆菌表达了此融合基因(M 2HBc ) 。以此融合表达蛋白免疫小鼠后产生的抗体可保护90%~100%的小鼠抵抗致死剂量流感病毒的攻毒试验。作者认为M 2e 介导的抗体可对机体提供更广谱、持久的免疫力。Liu 等[25]根据A 型流感病毒株M 2e 区的氨基酸序列合成四条肽段疫苗免疫兔子, 结果只有含整个M 2e 和含N 未端最初9个保守氨基酸的2. 5 基质蛋白

B 型流感病毒株编码基质蛋白(M ) 的片段7总长约1027个核苷肽段疫苗产生的抗体可以明显抑制A 、

酸, 5′端和3′端分别有25和23个核苷酸的非编码区。在MDCK 细胞上的复制, 而相对应于M 2e 中部和C 未该片段有3个ORF , 分别翻译为M 1、M 2和M 3蛋白。端氨基酸序列的合成肽疫苗产生的抗体却不能有效抑M 3蛋白与M 1由相同的读码框转录, 其编码的氨基酸制。推测M 2e N 未端含有能诱导在体外抑制流感病毒长度只有9个, 目前这一肽段尚未分离到, 功能未知。编复制的抗体的表位。码M 1和M 2的ORF 间存在71个核苷酸的重叠, 分别2. 6 非结构蛋白位于1~26位, 715~759位。片段8最短, 含890个氨基酸, 编码NS 蛋白, 包括

M 1由252个氨基酸组成, 分子量为2. 6万, 是病两个ORF 。ORF1自28~648位核苷酸, 编码含207个毒的主要结构蛋白。M 1位于病毒囊膜的类脂双层的内氨基酸的NS 1蛋白, 分子量为2. 6万。ORF 2的核苷酸侧、核衣壳的外侧, 可以通过静电作用和ssRNA 非特从27~56和529~864位, 编码有121个氨基酸的NS2异性地结合。M 1的X 射线晶体结构呈二聚体结构。M 1蛋白, 分子量为1. 4万。两个编码区有部份重叠。的功能是维持病毒的形态; 在病毒的装配、转录和出芽NS 蛋白是流感病毒的非结构蛋白。NS1存在于宿过程中起作用。M 1蛋白具有型特异性, 和NP 蛋白一起主细胞的细胞核中。NS1蛋白在流感病毒感染的早期成为病毒分型的依据。细胞内可检测到, 而在成熟的病毒粒子中则检测不到。

M 2由97个氨基酸残基组成, 分子量约1. 5万, 为NS1有两个功能区域, 一个是位于氨基未端的RNA 结穿膜蛋白。其膜外区(M 2e) 、穿膜区、胞浆区分别由24、合区, 另一个是位于NS1分子中部的受动器(effector ) 19和54个氨基酸组成。M 2蛋白主要以四聚体的形式区。A 型流感病毒的NS1蛋白可与病毒的RNA 结合在存在感染细胞的细胞膜上, 其主要作用是在HA 合成过RNA 开始转录后发挥独特的调节功能。程中作为离子通道控制高尔基体内的PH 值, 在病毒脱NS1的功能可能是抵抗宿主细胞产生的干扰素的壳过程中酸化病毒粒子的内部环境。M 2蛋白的离子通活性。拮抗干扰素的NS 1蛋白具有干扰素依赖性抗程道活性可被抗流感病毒药物(如盐酸金刚烷胺) 特异性序性细胞死亡作用。NS1具有调节功能, 如可抑制宿主地抑制。M 2蛋白在所有A 型流感病毒中保守, 可潜在细胞mRNA 的聚酰苷酸化; 抑制已发生聚酰苷化的宿地为所有A 型流感病毒提供交叉保护。与HA 蛋白相主细胞mRNA 从细胞核内逸出等。NS1还可以调节病比, 相对于M 2蛋白的抗体不易得到, 且其不能中和病毒RNA 的转录和复制, 如抑制病毒m RNA 的剪切, 促毒, 但该抗体可将M 2结合到感染的宿主细胞上并通过进病毒RNA 的翻译等。蛋白激酶R(PKR) 是干扰素介

[20]

干扰病毒粒子的出芽而干扰病毒的复制。导的双链RNA (dsRNA ) 依赖的蛋白激酶, NS 1可直接

近年来对M 2蛋白的免疫原性进行了较多的研究。和PKR 作用抑制PKR 发挥作用, 也可以通过和双链

[26]

M 2蛋白可以诱导CTL 细胞反应, 具有交叉保护能力, dsRNA 结合而抑制胞内PKR 的活性。是制备基因工程疫苗的潜在候选抗原。Slepushkin NS2蛋白大量存在于宿主细胞的细胞浆中, 其合[21]

等报道用杆状病毒表达系统表达的M 2蛋白免疫小成较晚。病毒粒子中含有NS 2蛋白。NS 2蛋白带有引导鼠后可保护小鼠在高致病力毒株和异型毒株攻毒时免RNP 出细胞核的信号区, 在病毒的RNP 从细胞核进入

[22]

于死亡。Watanabe 等用缺失M 2穿膜区29~31位氨细胞质的过程中起作用。NS2蛋白的C 未端有相对刚,

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从而在RNP 自细胞核进入细胞质的过程中易于被识别[27]。

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Research Progress in Genomic Structures and Proteins of Influenza virus

(V eter inary M edicine Colle ge of China A gr icultural Univ ersity , B eij ing , 100094, China )

YAN Ruo -qian , DU Xiang -dang

Abstract :Influenza is an infectious disease that can threat human health and anim al husbandry ser io usly and has caused great econom ic losses in the past years . T he studies on the g enom ic structures and proteins of influenza virus are helpful to enhance the therapy and prevention of the influenza. The patho gens o f the influenza is in-fluenza virus , whose g enom e is seg mented , com posed of eight pieces of single -stranded negativ e -sense RNA .

Viral genome code for 10pro teins, each of w hich has important function. The paper focused on the resear ch ad-vances in the genomic structure characters o f influenza virus and the morphostructure, im muno logical charac-ters, functio ns of the viral structural and no nstructural pr oteins.

Key words :Influenza virus; g enom e and proteins; functions and structure; immunolog ical char acters


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