摘要:PRRSV是一種能夠引起母豬的生殖性疾病和各個年齡階段豬的呼吸性疾病的RNA正鏈病毒,在動物體內,PRRSV對單核細胞和巨噬細胞分化的亞群細胞有選擇性趨性。唾液酸黏附素SN,又稱為CD169或Siglec-1,是唾液酸結合的免疫球蛋白樣凝集素,屬于Ig超家族的I型膜蛋白。豬SN基因與人、小鼠等物種存在顯著的差異,物種間胞質尾區同源性較差,N端區域表現出物種的特異性,R97和R116是豬SN的N端區域重要的氨基酸。SN的N端區域介導與PRRSV的結合,并且這種結合依賴于病毒表面的唾液酸,SN可能也介導病毒的內化作用。PRRSV非易感性細胞表達重組SN后可以粘附和內吞病毒,但不能有效感染。豬的SN介導PRRSV進入PAM的作用機制還不清楚,對SN基因、PRRSV感染機制等目前取得的研究進展進行了闡述。
關鍵詞:豬;唾液酸黏附素(CD169);PRRSV;肺泡巨噬細胞(PAM)
中圖分類號:S852.65文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2011)11-2168-06
Advances of Sialoadhesin and Its Mediation in Infection to Porcine
Alveolar Macrophages with PRRSV
REN Yu-wei,JIANG Yi-bo,ZHANG Shu-jun
(College of Animal Science and Veterinary Medicine, Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)
Abstract: Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) was an positive-strand RNA virus which could cause reproductive failure in sows and respiratory problems in pigs of all ages. In vivo, PRRSV had a selective tropism to the cell subsets of the monocyte/macrophage lineage. Sialoadhesin(SN), also called CD169 or Siglec-1, was a sialic acid binding immunoglobulin-like lectin, and blonged to type Ⅰ membrane glycoprotein of the Ig superfamily. The SN gene of porcine had a significant difference from human and mouse and other species; and the homology of cytoplasmic tail between different species was quite low. The species specificity was likely to be located in the N-terminal region. R97 and R116 were two importand animo acid at the N-terminal region of porcine SN. The N-terminal region of the SN might mediated the combination of the PRRSV; and the combination depended on the sialic acid in the surface of virus. It was properly that SN also mediated the internalization of virus. PRRSV-non-permissive cells could adhere to and internalize viruses after expressing recombinant sialoadhesin; but could not infect effectively. The mechanism of SN mediated infection of PRRSV to porcine alveolar macrophages was still not clear. The research advances of porcine SN and the infection mechanism of PRRSV were summarized.
Key words: pig; Sialoadhesin(CD169); PRRSV; alveolar marcophages(PAM)
豬繁殖與呼吸綜合征病毒(PRRSV)是一種被包被的RNA正鏈病毒,和馬動脈炎病毒、乳酸脫氫酶病毒、猴出血熱病毒同屬于動脈病毒科[1,2]。PRRSV可以引起母豬的生殖障礙(導致晚期流產,產死胎和弱仔)和各個年齡階段豬的呼吸性疾病[2]。在動物體內,PRRSV對巨噬細胞分化的亞群細胞有選擇性[3],豬的肺泡巨噬細胞和非洲綠猴腎細胞可被PRRSV感染[4]。
目前已經在豬肺泡巨噬細胞(PAM)上鑒定出3種PRRSV受體細胞,分別是硫酸乙酰肝素(HS)、唾液酸黏附素(CD169或SN或Siglec-1)、CD163[5]。在鼠、人類和豬中,SN是惟一在組織巨噬細胞的亞細胞表達的,主要分布在脾、淋巴結、骨髓、肝臟、結腸和肺[6]。PRRSV早期與PAM的接觸主要是通過HS介導的,而SN在PRRSV與PAM的粘附和內吞過程都是必需的;盡管HS對SN介導的內吞作用不是必需的,但它可以增強內化的作用[7];CD163可以促進脫衣殼和釋放病毒RNA[8]。
1不同物種間SN基因的比較分析
1.1SN基因結構
唾液酸黏附素SN,也稱為Siglec-1或CD169,最開始被定義為綿羊紅細胞受體[9],然后被鑒定為是一種唾液酸結合免疫球蛋白樣凝集素受體[10],而且有17個區域的復雜結構[11],分子結構包括細胞外區、跨膜區和胞內區三段[12],其中胞外區含有免疫球蛋白V區或C區樣結構[13]。
豬的SN基因長5 193 bp,編碼210kDa蛋白,與人和小鼠都有顯著的不同[14]。登錄GenBank獲得豬、人和小鼠的氨基酸序列,進行比對,結果表明豬和小鼠的CD169完整的氨基酸序列同源性為69%,豬和人的CD169完整的氨基酸序列同源性為79%,人與小鼠的SN具有72%的氨基酸同源性。豬的SN包括1 730個氨基酸,SN的胞質尾區由1 667-
1 730共64個氨基酸殘基組成;人的SN包括19個氨基酸的主導肽,一個1 622氨基酸殘基的胞外區和一個47氨基酸殘基的胞質尾區[15]。類似于小鼠的SN[11],人的胞外區也包括17個Ig樣區域,其中有一個N端V區和16個C2區,表現出長短區域的交互模式。在人和小鼠中Ig樣區域的同源性達到60%~80%,并且每個Ig樣區域的大小都是高度保守的,17個區域中只有4個區域的氨基酸長度不同。
1.2SN的胞質尾區
豬的SN的cDNA與鼠和人分別享有69%和78%的同源性,但胞質尾區也各有特點,其中一個特點是豬的SN作為蛋白內化的信號的胞質尾區的Phe1671-Tyr-Lys-Leu氨基酸殘基,這部分離跨膜區很近[16-18]。另一個特點是有2個潛在的糖基化位點,一個在蛋白激酶C的1 664位,另一個在酪蛋白激酶2的1 674位[15]。
胞質尾區的保守性很差,人比小鼠的類似物長12個氨基酸,整個長度只有30%同源性[15]。SN的胞質尾區由2個短的外顯子編碼[19],豬的外顯子20
(24個氨基酸殘基)與小鼠和人分別享有37%和58%氨基酸同源性;外顯子21的大小和序列在3個物種都不保守,可能是由類似于鼠的選擇性剪接造成[11]。
1.3SN的N端區域
人和小鼠的N端區域是最高度保守的[15],人和小鼠SN的N端區域表現出Siglecs的所有結構特征,特別是對于唾液酸結合重要的氨基酸在人和小鼠中是相同的[20]。
小鼠的N端區域可以單獨介導唾液酸結合,不需要其他區域[21]。An等[22]的試驗結果表明,豬SN 的N端序列的17-150aa對PRRSV粘附受體細胞有重要作用。豬的SN蛋白的N端序列的前150個氨基酸,與小鼠的SN只有64.5%的同源性,唾液酸結合位點(48-97aa)只有41.2%的同源性,似乎物種的特異性很可能位于N端區域,解釋了在這些區域發現的序列差異。
1.4N端的重要氨基酸
May等[20]合成了SN的唾液酸結合區域與3’唾液酰乳糖的復合物,揭示了唾液酸與Siglec家族結合的關鍵特征。在這個復合物中,唾液酸與3個殘基的側鏈有交互作用:W2、R97和W106,這3個氨基酸分別位于V區域的A、F和G段。這些殘基在Siglec所有成員中都是高度保守的,似乎這些分子中提供了重要的唾液酸識別位點。精氨酸殘基對唾液酸依賴性的粘附是關鍵的,即使精氨酸保守地與賴氨酸替換,也會導致結合的顯著降低,這是因為在SN的唾液酸結合區域與3’唾液酰乳糖的復合物中精氨酸殘基和唾液酸的碳水化合物形成了一個鹽橋,而且精氨酸殘基可以和唾液酸的甘油側鏈形成疏水性的接觸,R97的精氨酸被替換后,可能會影響疏水性作用和鹽橋的形成,導致結合能力降低。W2和W106是深藏于疏水核中的氨基酸殘基,在唾液酸黏附素中,擴展的β折疊很可能使W2和W106暴露出來,使它們能夠與唾液酸發生相互作用。
將編碼野生型和突變型SN的DNA融合到人類IgG1的Fc段,形成Fc段嵌合體[23]。把Fc嵌合體中的Trp-2替換成谷氨酰胺,導致結合活性完全喪失;同樣地,把Arg-97替換成丙氨酸,導致檢測不到與唾液酸類似物的相互作用。然而,把Arg-97替換成賴氨酸,導致突變型比野生型的親和力下降了10倍[24]。Delputte等[14]研究了豬的SN結合唾液酸的活性是否可以通過定點突變消除,在豬的SN的N端區域的R116位點引入谷氨酸突變后,突變體不能結合唾液酸,但是野生型可以結合并且內化唾液酸,證明SN的R116位點是結合唾液酸的關鍵位點,對于結合唾液酸的活性起重要作用,這也證明了SN的N端區域是PRRSV的一個結合區域。Van Breedam等[25]通過定點突變構建了pEE14-
pSn4DRE-3C-Fc融合蛋白,此蛋白引入了一個點突變(R116E)到唾液酸結合區域,使突變后的融合蛋白不具有唾液酸結合活性,并且證明了SN主要與PRRSV的GP5蛋白和M蛋白上的唾液酸發生相互作用。
1.55個不同物種SN啟動子的預測
登錄Ensemble網站,獲得豬SN序列chromosome:Sscrofa9:17、人SN序列chromosome:GRCh37:20、小鼠SN序列chromosome:NCBIM37:2、牛SN序列chromosome:Btau_4.0:13、狗SN序列chromosome:BROADD2:24,選取包含SN序列調控區域和第一外顯子的基因組DNA序列。
應用啟動子在線分析軟件Berkeley Drosophila Genome Project進行分析,得到的結果是對于CD169基因,豬在調控區域的450-500bp和514-564bp可能存在啟動子,人在調控區域的416-466bp可能存在啟動子,小鼠在調控區域的546-596bp可能存在啟動子,牛在調控區域的339-389bp、430-480bp、464-514bp、530-580bp可能存在啟動子,狗在調控區域的549-599bp可能存在啟動子。
25個不同物種SN基因氨基酸差異的比較分析
2.15個不同物種SN前150個氨基酸比對分析
登錄GenBank獲得牛、小鼠、豬、狗和人的CD169氨基酸序列,登錄號分別為XP_875911.3、NP_035556.3、 NP_999511.1、 XP_542917.2、NP_075556.1,并對5個氨基酸序列進行比對。結果顯示豬和牛的CD169完整的氨基酸序列同源性為82%,前150個氨基酸序列同源性為71%;豬和小鼠的CD169完整的氨基酸序列同源性為69%,前150個氨基酸序列同源性為63%;豬和狗的CD169完整的氨基酸序列同源性為77%,前150個氨基酸序列同源性為72%;豬和人的CD169完整的氨基酸序列同源性為79%,前150個氨基酸序列同源性為72%。5個物種的CD169前150個氨基酸序列比對結果見圖1和表1。
An等[22]對SN的N端區域進行了預測,豬的SN的N端區域一共有12個β折疊,小鼠的有10個β折疊,小鼠的N端區域與豬相比,有9個β折疊與豬相同,不同的1個β折疊位于氨基酸107-110區域,而豬與小鼠不同的3個β折疊分別位于氨基酸9-14、62-65和113-118三個區域。小鼠的13和14位氨基酸分別是V、F,豬是S、A;小鼠的108位氨基酸是E,豬是Q(圖1)。氨基酸差異可能是造成小鼠和豬的二級結構不同的原因。
2.25種不同物種SN蛋白第151個氨基酸至最末端比對結果
登錄GenBank獲得牛、小鼠、豬、狗和人的CD169氨基酸序列,比對5個物種SN第151個氨基酸至最末端序列的同源性。豬和牛、小鼠、狗、人的第151個氨基酸至最末端序列的同源性分別為83%、70%、77%、79%。
豬的SN的胞質尾區由1 667-1 730共64個氨基酸殘基組成。從圖2可以看出,牛、小鼠、豬、狗、人共5個物種的SN的胞質尾區的同源性較低,豬SN的胞質尾區比牛、小鼠、狗、人的分別多15、32、4、20個氨基酸殘基。
3SN的N端區域結合PRRSV
近年來,SN的N端區域被認為可能與PRRSV結合有關[14]。抗SN的單克隆和多克隆抗體可以抑制PRRSV和細胞受體的結合,但是抑制的機制是不同的。一種抗SN的單克隆抗體MAb41D3可以阻止PRRSV感染PAM[26]。直接抗SN的單克隆抗體
MAb41D3可以直接與SN結合,從而阻止PRRSV粘附PAM,這是直接抑制PRRSV結合SN的方法。還有一種間接抑制的方法,即通過抗N端非結合位點表位的抗體產生位阻效應,達到間接抑制PRRSV結合SN的目的。抗體血清S150對病毒結合受體細胞的抑制作用就是采用的間接抑制方法,抗體血清S150是由特異性抗受體結合位點的抗體和抗N端非結合位點表位的抗體組成,可以通過抗體S150結合到SN的非病毒結合位點的表位,產生位阻效應,從而干擾病毒結合到受體細胞,然后構建了含有N端序列的重組質粒,結果表明這個質粒可以介導病毒的粘附作用。這個試驗證明了豬SN的N端區域對PRRSV粘附PAM細胞是必需的[22]。
4PRRSV粘附和感染對唾液酸具有依賴性
PRRSV粘附和感染PAM都表現出對病毒的唾液酸的依賴性[27]。一些病毒,例如Theiler’s的鼠腦脊髓炎病毒[28]、腺病毒37型、人多瘤病毒屬JC病毒[29]、1型呼吸道腸道病毒、冠狀病毒、可傳播性胃腸炎病毒[30]和一些輪狀病毒[31]等是與靶細胞表面的唾液酸粘附的。Delputte等[27]在試驗中發現,
PRRSV是通過病毒表面的唾液酸介導感染的,而不是靶細胞表面的唾液酸。分別用未處理的綿羊紅細胞和唾液酸苷酶處理的綿羊紅細胞進行試驗,發現豬SN結合唾液酸;而且,含有N-糖苷鍵的PRRSV移除N-糖苷鍵后可以降低PRRSV感染,但是移除非唾液酸N端結合的聚糖則沒有明顯效果。這些結果表明,豬SN是一種與PRRSV表面的唾液酸結合的凝聚素,PRRSV的唾液酸和豬SN存在相互作用,而且SN介導PRRSV的粘附作用具有病毒唾液酸依賴性。
5豬SN可能對PRRSV具有內吞作用
PRRSV非易感性細胞表達重組SN后可以粘附和內吞病毒,但不能有效感染,病毒明顯停留在細胞內,但病毒RNA沒有在細胞質中釋放,表明PRRSV非易感細胞缺少感染所必需的胞內因子[6]。PK-15細胞是PRRSV非易感細胞,構建重組SN的PK-15細胞,檢測到了內化的病毒顆粒,但是沒有觀察到病毒與內吞小泡膜融合后的脫衣殼作用和裂解現象,表明病毒與受體的融合過程受到了阻止[6]。PRRSV通過受體的網格蛋白小窩和小囊泡介導的內吞過程進入細胞[32],隨后胞體內pH值的降低是病毒復制的必要條件。
豬SN可能與內吞作用有關。直接抗SN的抗體MAb41D3與SN結合后,MAb41D3特異性地陷入PAM,這個過程可以被抗微生物的藥物(amantadine)阻止,amantadine是一種阻止離子膜網格蛋白小窩內陷的藥物。而且,在內化的過程中,質膜的網格積累MAb41D3斑。這些結果表明豬SN能夠起到調節網格蛋白依賴性的內吞作用[6]。
豬SN介導PRRSV進入PAM的作用機制還不清楚,PRRSV通過受體的粘附與內吞作用進入PAM、脫衣殼和釋放病毒RNA等過程還需進一步研究,這些研究可為探索豬SN在病原致病分子機理中的作用打下基礎。
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