新城疫病毒HN基因的研究进展
摘要 新城疫病毒HN(hemagglutinin-neuraminidase)基因是由一对同源二聚体组成的一个四聚体。其核苷酸序列有1939-2120bp,含一个1704-1851bp编码568-617个氨基酸组成蛋白的开放阅读框。氨基酸序列中分布着4-6个糖基化位点、12-14个半胱氨酸残基、7个抗原决定基、2个位点单独分立或为同一位点可功能转换的唾液酸受体结合和催化位点。已分别在pH4.6 、pH6.2和pH7.5等条件下得到了正交晶、六棱形和四棱形三种晶体。HN具有吸附细胞受体、促进病毒与细胞的膜融合、催化水解唾液酸残基使病毒粒子扩散感染细胞等功能,也是NDV毒力的决定因子之一。应用HN基因研制基因工程疫苗已有一定进展,并在抗肿瘤研究方面也有开拓。
关键词:新城疫病毒(NDV);HN 基因;结构;功能;应用;
新城疫病毒的分类位置,据国际病毒分类委员会(ICTV)2002年版报告已归列于副粘病毒亚科下的新属Avulavirus内⑴。该病毒的基因组由NP、P、M、F、HN、L六个基因组成,其中的HN基因在病毒对宿主细胞的感染、促进病毒与细胞及细胞与细胞之间的融合、病毒粒子的播散、病毒毒力和抗原性的决定等方面具有重要的作用,本文就国内外对HN基因的研究状况主要是近期的进展作一综述。
1. 结构
1.1 HN是由一对同源二聚体组成的一个四聚体,每一个二聚体中的单体由二硫键经过一个在茎部的123位半胱氨酸残基相连接,在胞外域组成一个长的茎部支撑末端的一个球部。茎部的最保守部分(74-110残基)是由二个被非螺旋间插区(89-95残基)分开的潜在的七个氨基酸重复区,大致上形成α螺旋⑵⑶。自L96(L,亮氨酸)至L110构成为一亮氨酸拉链⑷。亮氨酸拉链是一种缠绕得比正常更紧的α螺旋,其一侧的一系列亮氨酸可与第二个蛋白拉链上的亮氨酸相互作用形成二聚体。茎区(48~123残基)附着在病毒粒子膜。HN球部包含有6个β-折叠⑸,是受体识别区、神经氨酸酶活性和抗原位点所在。所有4个单体的N端均在四聚体的同一表面上。四聚体大致有100×100×50Å大小。二聚体AB和CD的二个折叠于随便那一边均为33°夹角。AB或CD二聚体每一单体表面区域遮蔽1750Å2,而在四聚体中二聚的遮蔽范围更少。B和C单体之间的接触遮蔽312Å2,A和C之间的接触遮蔽73Å2,A和B之间没有遮蔽⑹。
1.2 核苷酸序列。据对GenBank收录和文献发表的49株NDV的HN基因核苷酸序列统计有1939~2120bp(bp,硷基对),仅有的一个开放阅读框(可读框)有1704~1851bp,编码一个568~617个氨基酸组成的蛋白质。丁壮等报道据文献HN蛋白有571、577、616个氨基酸的三个亚型⑺。而据这49株则可分568~572个氨基酸的为一亚型有39株,577个氨基酸的为一亚型有10株,616~617个氨基酸的为一亚型有2株。616个氨基酸编码的HN,主要是其前体HN0的C端有45个延长的氨基酸⑻。.不管HN蛋白编码的氨基酸多寡,其均可区分为三个潜在的结构域。一般来说,1~26位氨基酸为胞质域,27~47位为跨膜域,48至最末位为胞外域。其中,161~564位为唾液酸酶。部份毒株的HN蛋白中也有可能在某些个位点的氨基酸出现变异⑼。
1.3 糖基化位点均处于胞外域。统计14株NDV的HN蛋白有4~6个糖基化位点,于119、144、340、341、432、433、480、481、502、507、508、536、537、538、600氨基酸位。14株中一些位点糖基化的比例,119位100%,144、340、432、480、502、507、536、537位均为7.14%,341、481位均为92.86%,433位85.71%,508位35.71%,600位21.43%。14株中,616个氨基酸编码蛋白的3株均是有6个糖基化位点的;577个编码的5株中5个糖基化位点占60%、6个的占40%;571个编码的5株中6个的占60%、5个的占20%、4个的占20%;570个编码1株,有6个糖基化位点⑼。
1.4半胱氨酸残基。NDV HN蛋白有12~14个半胱氨酸残基⑺⑽⑾⑿,它们分布于HN蛋白的胞外结构域。如Pitt J.J.(2000)实验指出Queensland株有13个半胱氨酸残基,分布在氨基酸序列的123、172、186、196、238、247、251、344、455、461、465、531、542位⑿。其中的123位与另一HN的123位形成一个分子间二硫键组成一个共价的同型二聚体,而其余的半胱氨酸残基则形成分子内二硫键结构。
1.5 抗原位点。Iorio RM 等(1984、1989、2005)制作了一组抗NDV AV/32株HN的单抗(MABs),应用于竞争抗体结合试验和累加中和试验绘出在HN上形成7个连续的抗原位点(抗原决定基),以单抗用逃逸突变选择、以及用测序鉴定每一位点⒀⒁⒂:位点1(残基345),位点2(残基513、514、521、和569),位点3(残基263、287、和321),位点4(残基332、333、和356),位点12(残基494和516),位点14(残基347、350和353),位点23(残基193、194和201)。仅位点14由单抗识别为一线性表位,确定残基341-355。所有其它的位点,均是构象性的。七个重叠的抗原位点在分子表面形成一个连接的连续体(位点4-14-1-12-2-23-3)。14和1 位点以及12和2位点在副粘病毒科成员中不是很保守。位点23(残基193-201)具有显著程度的保守性,195、196、198、和199位残基几乎是完全保守的⒃。
1.6 晶体学研究。由用胰凝乳蛋白酶裂解而重组的病毒体分离得到NDV HN糖蛋白。在含聚乙烯乙二醇3350和硫酸铵的乙酸缓冲液(pH4.6)中得到的cHN晶体,属于正交晶空间集P2(1)2(1)2(1),近似的晶胞大小为a=72Å,b=78Å,c=198Å。在含有唾液酸(Neu5Ac)、聚乙烯乙二醇3350的HEPES缓冲液(pH6.2)中形成的cHN晶体为六棱形空间集P6(1)或P6(5),晶胞大小为a=b=137.5Å,c=116.6Å。该研究产生的正交晶体的衍射X线分辨至少2.0Å,因此副粘病毒的HN糖蛋白处于溶液状态时是属于三维结构的⑵。另得到了无配基HN在pH7.5用20%聚乙二醇3350和0.1M HEPES缓冲液作沉淀剂的四棱形晶体,此晶体如在pH4.6得到的晶体那样有相同的空间集和单体的相同联系⑹。
1.7 结合位点和催化位点。HN的受体结合和催化二种功能,由同一位点执行还是由分开的二个位点分别执行,是一个长期以来一直争议的问题。不过,近期的研究已倾向于HN的受体结合和催化两种功能是由二个不同的位点实施的。
1.7.1. Crennell S 等(2000)根据对HN单独的晶体以及与抑制剂或与唾液酸的β-端基异构体复合物的晶体结构的研究,认为只有一个位点具有唾液酸结合和水解的两个功能⒄。Connaris H 等(2002)研究也表明HN具有一个单独的唾液酸识别位点,它能在结合位点与催化位点之间转换,E401、R416和Y526等是关键的残基⒅。
1.7.2. Zaitsev V et al(2004)应用硫唾液酸(thiosialoside)与HN共结晶进行研究,在正交晶晶体2.0-Å电子密度图中,两个对称的结合位点和硫唾液酸结合有清晰的电子密度。新的唾液酸结合位点由来自二个HN单体的残基构成,与唾液酸而不是半乳糖互作。二个位点共有5个氢键直接连接到主链原子和二个结合位点中保守位置的六个水分子产生一些水介导的互作。在新位点,可以看到完整的硫唾液酸,唾液酸的一个羧化氧原子由二个氢键与侧链的516位精氨酸(Arg)相连接。在另一位点,摆脱Arg516,在O-8和Ser(丝氨酸)519位主链的酰氨基团之间产生互作。在这二个位点,乙酰甲基团座落在由一个HN单体的Gly(甘氨酸)169、Leu(亮氨酸)552 和Phe(苯丙氨酸)553以及另一个HN单体的Phe156 、Val(缬氨酸)517、 Leu561形成的疏水囊内⑹。
2. 功能
2.1 识别和吸附细胞受体。HN蛋白的唾液酸结合位点使病毒识别含有唾液酸的细胞受体并与其吸附而使细胞被病毒开始感染,这一识别和吸附是病毒生活史的第一步,也是确定病毒宿主谱的决定因素。
2.2 促进病毒与细胞以及细胞与细胞的膜融合。
2.2.1 HN对细胞受体的结合,诱导一个构象的变化。主要的构象改变发现在球部的第6个β折叠的第2和第3束(S)(β6S2-β6S3)之间,β1S2和β1S3之间,β1S4和β2S1之间,β6S4和β1S1之间,β5S4和β6S1之间的几个环中。这些改变均在NA结合活性窝及大的疏水区之间,对融合促进活性是必须的⒆。含有唾液酸的细胞受体被HN的唾液酸结合位点和催化位点识别、吸附和催化,提供了驱动F蛋白进入它的融合发生状态所需的能量⑹。第二个唾液酸结合位点的关键残基516位精氨酸的突变实质性地降低了HN的融合促进活性,并使病毒在组织培养细胞中的生长缓慢⒇。二聚体界面形成唾液酸结合位点部分的Phe553替换为丙氨酸,破坏了融合促进活性,引起血球吸附活性和NA活性降低70%⑹。
2.2.2 F蛋白的的膜融合功能的激活,不仅需要F0裂解为F1和F2,而且需要同种HN蛋白的共表达。对HN和F之间的相互作用(互作)的研究已经提出了二个模式:一个模式提出HN和F的互作,仅在HN蛋白结合受体之后,和互作发生于F蛋白为融合所需要的结构改变之初;第二个模式是在HN蛋白吸附之前,HN和F形成一个亚稳定复合体。在第二个模式中,HN蛋白吸附有一个伴随的构象改变会释放F蛋白构象改变的串连反应,导致F蛋白的HR1和HR2域的六股卷曲螺旋的形成 。近期的研究支持第二个模式,如Gravel K 等(2003)证明了HN蛋白近膜域序列(124-152残基)和F蛋白HR2之间有一个特异性互作〔21〕。
2.2.3 茎区74-110残基对HN的促进融合和直接参与和同种F蛋白的互作是临界的。Stone-Hulslander T 等(1999)在两个七氨基酸重复区进行残基替换试验,L90A(L用A替代,A丙氨酸)HN的融合启动活性降至野型株水平的13%,L97A HN的融合启动活性降至野型水平的18%〔22〕。Melanson VR等(2004)在间插区(89-95残基)进行了残基替换试验,HN的P93A(P脯氨酸) 、P93L、P93S(S丝氨酸)替换后与F蛋白共表达时的融合促进按HN激活的重量计只各自仅有19.6%、9.2%和13.4%。在每个替换突变中,合胞体形成比不突变的不仅较小而且较少。以免疫共沉淀试验(Co-IP)用一种抗F单抗来测定突变HN与F蛋白共表达的能力。P93A-HN共免疫沉淀少于野型株HN量的2%。P93L-HN和P93S-HN在共免疫沉淀中不能检测到。间插区中其它氨基酸的替换也均对融合有显著的负影响⑶
2.3 催化活性。HN的唾液酸催化位点(神经氨酸酶)能水解细胞上的寡糖、糖蛋白、糖脂、多聚乙酰神经氨酸和合成底物中末端的唾液酸残基,使成熟的病毒粒子从含有神经氨酸的糖蛋白上分离,同时防止病毒粒子的自我凝集,因而使病毒能高效率地扩散感染细胞⑼。
2.4 HN也是NDV毒力的一个决定因子。
2.4.1 Huang Z 等(2004)应用反向遗传方法,一个重组NDV中毒株rBC的HN基因和一个重组NDV无毒株rLaSota HN基因进行了交换组成嵌合体。嵌合病毒的血球吸附和神经氨酸酶活性表现出与它们的父代株显著的差异。病毒的组织嗜性取决于原来的HN蛋白,具有来自于中毒力病毒的HN蛋白的嵌合病毒表现为与中毒力病毒相同的嗜内脏型的组织嗜性。活体中NDV病毒及其嵌合体的致病性:1日龄雏鸡脑内注射的致病指数(ICPI),rLaSota 0.00、 rLaSoBCHN 0.75、 rBC 1.58、 rBCLaSo 1.02 ; 最小致死量病毒致死鸡胚的平均时间(MDT.h),rLaSota 96、 rLaSoBCHN 84、 rBC 62、 rBCLaSoHN 72 。研究结果很清楚地显示HN基因是NDV毒力的决定因素之一〔23〕。
2.4.2 HN蛋白N-连接糖基化的丧失改变NDV的毒力。半胱氨酸残基形成的二硫键能够稳定NDV HN吸附糖蛋白的结构和功能。HN原始序列胞外域潜在的6个糖基化位点仅有4个(G1-G4)被N-连接糖基化,G5可能是新生HN链上局部的折叠阻止寡糖基转移酶进入位点而未能糖基化,G6处在半胱氨酸13与14形成的二硫键之间被阻遏了寡糖基转移酶到达位点的进路也未能糖基化〔24〕。N-连接糖基化影响糖蛋白的许多性质,包括蛋白质在它们的生物学活性结构中的折叠的开始和维持、蛋白质稳定性和溶解性的保持、蛋白质的细胞内转运到各种亚细胞区室和细胞表面以及影响蛋白质的抗原性和免疫原性。Wilson C 等(1990)在做胰蛋白酶保护实验时证实,只有糖基化了的HN才不会被胰酶消化掉,因为分子团已被转运入细胞膜中;未糖基化的HN前体仍对胰酶敏感,因为它在膜的外面〔25〕。Panda A 等(2004)在BC株克隆的全长cDNA上定点突变各个排除(G1-G4)和联合排除(G1和G2,简称G12)糖基化位点,并采用反向遗传技术恢复了每个HN糖蛋白突娈体的cDNA克隆的感染性,证实全部糖基化突变体比BC株亲本病毒的毒力弱,G4和G12突变体的毒力最弱〔26〕。
3. 应用
3.1 采用NDV HN基因研制基因工程疫苗。
3.1.1 陈吉祥等(2001)用CTAB/DOPE脂质体包裹NDV HN基因的真核表达质粒pcHNM免疫5周龄仔鸡,1周后免疫鸡血清中的特异性HI抗体开始升高,至第6周未免疫对照组抗体2.06、裸DNA组4.09、脂质体包裹组5.20。此时用NDV强毒F48E9攻击,统计存活率,未免疫组27.28%、裸DNA组81.82%、脂质体包裹组100.00%〔27〕。
3.1.2 丁壮等(2002)应用Bac to Bac系统表达的NDV HN基因的重组杆状病毒感染sf-9
昆虫细胞后,28℃培养72小时后,冼涤收集细胞,离心浓缩,-20℃冻融3次,用HA-HI实验和HN单抗中和试验测定表达产物的活性。将表达的重组蛋白作为亚单位疫苗于15日龄和29日龄各免疫鸡一次,45日龄攻F48E8,保护率65%-100%〔28〕。
3.1.3 刘铀等(2005)应用ΦT4噬菌体与NDV的HN或F基因重组成基因工程油乳剂疫苗对10日龄SPF鸡进行了免疫效力试验,60日龄攻毒,各组的保护率:ΦT4噬菌体组0%,ΦT4-Z1-HN组50%,ΦT4-Z1-F组84.2%,ΦT4-Z1-HN+ΦT4-Z1-F组100%,ND弱毒苗组(25日龄加免1次)100%〔29〕。
3.1.4 Loke等(2005)用质粒构建的NDV HN和NDV F并加弗氏佐剂乳化,经3次免疫才得到以下的保护率:pEGFP-HN组33%、pEGFP-F组50%、pEGFP-HN+pEGFP-F组 90%〔30〕。
3.2 HN应用于抗肿瘤的研究。 金宁一等(2003)给植有黑色素瘤的小鼠注射NDV HN基因和鸡贫血病毒VP3基因的重组质粒,可使荷瘤鼠的肿瘤体积缩小。注射鼠的NK活性、CTL活性明显高于对照组(P>0.05),血清中的唾液酸含量低于对照组(P>0.05)。证明NDV HN能增强小鼠对移植瘤的免疫杀伤力,是NDV发挥抗肿瘤作用的主要功能性基团〔31〕。
4. 讨论
4.1 不同地区、不同宿主和不同时期分离得到的NDV的HN基因在核苷酸与氨基酸序列、糖基化位点、半胱氨酸残基、抗原位点、结合和催化位点等的数量和布局会出现大致相同而略有不同的现象,是不足为奇的。正如世界上的各个人之间一样,是没有完全相同的核苷酸序列的。病毒实际上是以基本相同但略有差异的一群病毒粒子的形式存在的,而且被宿主个体所构成的相对独立的环境分割开来,形成一个居群。病毒居群中各个毒粒之间虽然存在着一定的差异,但一般总是有一个大致相同的主序列的。当然我们应要严密监视这些差异,及早发现具有危害性的突变,尽快研究出防治的措施〔32〕。
4.2 HN的各个结构单位的功能及相互之间的关系尚需进一步明确,特别是糖基化位点、唾液酸结合和催化位点是否具有抗原性,以及唾液酸结合和催化位点是单独分立还是同一转换的需要坚定的搞清。
4.3 探讨HN一些位点的突变对毒力致弱的效果,开辟制作基因工程疫苗的新途径和治疗药物的有效靶的。寻找更好的载体和佐剂,寻找能产生更强免疫力的核酸片段。研究一次在载体中插入二个基因核酸片段的可能性,以期获得具有理想免疫力的重组体疫苗
4.4 要重视NDV抗肿瘤功能的开发。自Flanagan等(1955)首次报告了NDV具有肿瘤消解活性以来,直到近期才有了可喜的进展〔33〕,Phuangsab等(2001)给移植成神经细胞瘤的小鼠注射NDV73-T,瘤内注射的抑制率达77-96%,腹腔内注射的18只小鼠中有12只肿瘤完全消退且追踪3-9个月而没有复发〔34〕。金宁一等(2003)也指出HN是NDV发挥抗肿瘤作用的主要功能性基因团〔31〕。所以,望有关部门和专家能加强这方面的研究,以期能尽早地造福于人类的抗癌事业。
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Advances in HN Gene Research of Newcastle Disease Virus
Abstract
HN(hemagglutinin-neuraminidase)gene of Newcastle disease virus is a tetramer consisting of one pair of homodimes. Its nucleotide sequence, 1939-2120bp, contains an open reading frame of a protein consisting of 1704-1851bp with 568-617 amino acids encoded. Inside the sequence of amino acids, there are 4-6 glycosylation sites, 12-14 cysteine residues, 7 antigenic sites, two sites of separately existing sialic acid binding and sialic acid catalytic or one single site being able to switch between sialic acid binding and sialic acid catalytic. Under the conditions of pH 4.6, pH 6.2 and pH 7.5, three kinds of crystals: orthorhombic, quadrangular and hexagonal are generated, respectively.
HN gene of Newcastle disease virus has the functions like attaching the virus to cell receptors, promoting virus and cell membrane fusion, and catalyzing and hydrolyzing the sialic acid residues to effectively spread the virus and infect cells. HN also is a decisive factor of NDV virulence. There have been some progresses in study and production of gene engineering vaccine, and also in the development of anti-tumor researches.
Key Words : Newcastle disease virus (NDV) ; HN gene;Structure;Function;Use;
感谢:浙江图书馆、http://www.ncbi.nlm.nih.gov/网站
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新城疫病毒HN基因的研究进展
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