蛋白质如何帮助甲型流感病毒结合并切割细胞

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核心提示:2007年自然出版集团宣布《Nature》出版集团的新出版物、名为Nature China的网站(www.naturechina.com.cn)正式启动。这一网站致力于聚焦中国大陆地区和香港的优秀科学成果,每周都会针对最新发表的论文,在此网站撰写摘要和评述。本月最新一期Nature China在结构生物学研究领域亮点推荐了中国科学院微生物研究所高福课题组关于2009甲型H1N1流感病毒的研究成果。

研究人员提供了关于两种蛋白质如何帮助甲型流感病毒颗粒对抗人体细胞的新见解。

几十年来科学家们已经知道,人体内的流感病毒与实验室中生长的病毒有很大不同。与培养皿中的均匀,球形,教科书式病毒相反,在人类中,它们的形状和组成不同

几十年来,科学家们已知道人体内的流感病毒与实验室中培养的流感病毒有很大不同。一种常用的研究流感病毒的方法就是将荧光蛋白与组成流感病毒的蛋白融合在一起。但是这些荧光蛋白与流感蛋白具有大约相同的大小,引入如此相对较大的融合蛋白到流感病毒中会引发病毒紊乱。

生技网资讯: 2007年自然出版集团宣布《Nature》出版集团的新出版物、名为Nature China的网站(www.naturechina.com.cn)正式启动。这一网站致力于聚焦中国大陆地区和香港的优秀科学成果,每周都会针对最新发表的论文,在此网站撰写摘要和评述。本月最新一期Nature China在结构生物学研究领域亮点推荐了中国科学院微生物研究所高福课题组关于2009甲型H1N1流感病毒的研究成果。

必发365vip手机登录 ,今天在开放获取期刊eLife上发表的研究结果进一步解释了甲型流感如何能够穿透气道中的防御性粘液屏障并导致感染。这可能会为治疗干预带来新的机会,从而破坏这种活动。

  • 特别是某些蛋白质的丰度 - 即使它们在遗传上非常相似。

在一项新的研究中,为了解决这一挑战,美国华盛顿大学圣路易斯分校工程与应用科学助理教授Michael Vahey和加州大学伯克利分校生物工程主任Daniel A. Fletcher采用一种不同的方法对流感病毒蛋白进行标记。具体而言,他们改进了一种通常用于对蛋白上的一个特定区域进行标记的方法,即“位点特异性标记”:并不使用一种荧光蛋白,而是将长5到10个氨基酸的短肽序列插入到组成甲型流感病毒的蛋白中;在插入这些短肽序列后,加入酶和少量荧光染料,这些酶获取不同的染料分子并将这些染料分子连接到流感病毒蛋白上,这样就能够观察单个流感病毒蛋白,同时又不破坏它们的功能,也不破坏由它们组成的流感病毒。相关研究结果近期发表在Cell期刊上,论文标题“Low-Fidelity Assembly of Influenza A Virus Promotes Escape from Host Cells”。

原文检索:

粘膜屏障是人体抵抗甲型流感感染的第一道防线,含有结合病毒的唾液酸诱饵。为了感染细胞而不会粘在粘液中,甲型流感依赖于病毒颗粒表面上两种蛋白质之间的平衡:受体结合蛋白血凝素(HA)和裂解蛋白神经氨酸酶(NA)。但到目前为止,关于这些蛋白质如何在颗粒上组织起来以及它如何有助于病毒穿透宿主粘液的能力知之甚少。

然而,很难研究这些蛋白质在任何单个病毒上的确切数量和位置。细胞生物学中的首选方法是将荧光蛋白附着到感兴趣的区域;光线使该区域更容易成像和研究。

令这两名研究人员感兴趣的流感病毒蛋白是血凝素和神经氨酸酶。HA让流感病毒附着到宿主细胞上,而NA让这种病毒从宿主细胞中脱落下来,这样它就能够接着感染其他的宿主细胞。

流感病毒是引起季节性、流行性流感和偶发的流感大流行的致病因子,病毒表面有两类重要的囊膜蛋白:HA和NA。从结构上讲,HA有1~16型,NA有1~9型,两者排列组合成多种病毒亚型,2009甲型H1N1流感病毒即为HA第1型与NA第1型的组合。

我们推断病毒颗粒的形状,以及HA和NA的包装和组织,可以通过使病毒有效渗透粘液屏障的方式影响附着和脱离的平衡,第一作者Michael Vahey说,以前他是美国加州大学伯克利分校的博士后学者,现在是圣路易斯华盛顿大学的助理教授。

但是试图将荧光蛋白附着到构成流感病毒的分子上,就好像试图让第三人使用双人自行车:只是没有空间。荧光蛋白与流感蛋白的大小差不多;引入这样一个相对较大的元素会使病毒摆脱困境。

利用这种位点特异性标记方法,Vahey和Fletcher开展实验旨在了解在单个流感病毒中观察到的变异是否可能具有适应性而有助于这种病毒传播感染。他们研究了从宿主细胞中释放的各种流感病毒,其中的一些流感病毒接受一种阻止NA发挥作用从而阻止病毒从宿主细胞中释放出来的物质---一种NA抑制剂---治疗。这就是抗病毒药物达菲的作用方式。如果流感病毒不能从宿主细胞中释放出来,它就不能传播和增殖。他们随后比较了从未接受这种NA抑制剂处理的宿主细胞中释放出来的病毒颗粒和从接受这种NA抑制剂处理的宿主细胞中释放出来的病毒颗粒。

两种蛋白的功能各不相同。HA负责识别宿主细胞表面的唾液酸受体,协助病毒囊膜与宿主细胞膜的融合,在病毒导入宿主细胞的过程中发挥重要作用。HA还是一个重要的表面抗原,抗HA的抗体可以中和流感病毒。

为了探索这一点,Vahey和他的同事Daniel Fletcher,也是加利福尼亚大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的院系科学家,使用荧光标记和超分辨率显微镜研究甲型流感HA和NA的组织。他们的研究表明,蛋白质以不对称的方式分布,使得结合和切割导致持续的定向运动。

圣路易斯华盛顿大学工程与应用科学学院助理教授Michael Vahey和加州大学伯克利分校工程生物系统工程主席兼生物工程主任Daniel A. Fletcher的论文证明了流感蛋白可以使用不同的方法标记。该过程已经产生了信息,该信息至少暗示了具有如此多流感表型的一个优点,即在遗传上相同的流感颗粒中发现的各种形状和构型。

这两名研究人员发现较小的流感病毒,或者具有更多NA的流感病毒,更能抵抗这种NA抑制剂。它们更可能从接受达菲处理的宿主细胞中脱落下来,这样它们就能够接着感染更多的宿主细胞。这表明这两种变异---比平均值还要小的流感病毒,或者具有更多NA的流感病毒可能有助于它们在接受达菲治疗的患者体内站稳脚跟。

则负责移去细胞受体末端与HA结合的唾液酸,有助于新生病毒粒子的释放和迁移,防止病毒聚集。目前,临床上广泛使用的抗流感病药物扎那米韦(Zanamivir,瑞乐沙)、奥塞米韦(Oseltamivi,达菲)就是针对NA酶活性中心设计的。因此,研究这两类蛋白对于揭示特定病毒株的致病性、疫苗与药物研发等具有重要意义。

这种病毒的运作方式似乎像布朗式棘轮一样,蛋白质的组织使其热驱动的运动偏向于通过宿主粘液,弗莱彻解释道。这解决了病毒相互冲突的需求,既可以穿透粘液,也可以稳定地附着在基础细胞上。

该论文于11月9日发表在Cell杂志上。

他们还发现,具有更多HA的流感病毒,或者更大的流感病毒,能够更强地结合到宿主细胞上。在任何特定情形下,这可能对流感病毒都是有益的,比如在达菲治疗时,这种药物抑制NA发挥作用,这时流感病毒碰巧具有更多NA以及流感病毒碰巧更小时就有一点优势了。

在这篇文章中,来自中国科学院微生物研究所,中国科技大学等处的研究人员选取2009甲型H1N1流感病毒典型毒株A/California/04/2009的HA和NA作为研究对象,表达纯化了这两种蛋白并通过X-射线衍射的方法解析了它们的晶体结构,分辨率分别达到了2.9埃和1.9埃

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