人体细胞膜跨膜蛋白丝氨酸整合因子3和5的抗艾滋病毒作用
  疾病监测  2017, Vol. 32 Issue (12): 911-913

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文章信息

魏民, 邵一鸣
WEI Min, SHAO Yi-ming
人体细胞膜跨膜蛋白丝氨酸整合因子3和5的抗艾滋病毒作用
Inhibition of HIV-1 by SERINC3 and SERINC5
疾病监测, 2017, 32(12): 911-913
Disease Surveillance, 2017, 32(12): 911-913
10.3784/j.issn.1003-9961.2017.12.004

文章历史

收稿日期:2017-12-02
人体细胞膜跨膜蛋白丝氨酸整合因子3和5的抗艾滋病毒作用
魏民1, 邵一鸣1,2     
1. 南开大学医学院, 天津 300071;
2. 中国疾病预防控制中心性病艾滋病预防控制中心, 北京 102206
摘要:艾滋病病毒(HIV-1)中的Nef蛋白具有重要的维持患者病毒高载量、加快疾病进展、下调CD4、主要组织相容性复合物(MHC)等多种分子,增强病毒的复制能力和感染性等多种功能。然而,20多年来,Nef蛋白增加病毒感染性的机制并不清楚。最近的进展表明,人体细胞膜跨膜蛋白丝氨酸整合因子3和5(serine incorporator 3,SERINC3 and SERINC5)具有重要的抗病毒作用,而HIV-1编码Nef蛋白拮抗这一作用。
关键词艾滋病    艾滋病病毒, 1型    Nef蛋白    丝氨酸整合因子3    丝氨酸整合因子5    
Inhibition of HIV-1 by SERINC3 and SERINC5
WEI Min1, SHAO Yi-ming1,2     
1. School of Medicine, Nankai University, Tianjin 300071, China;
2. National Center for AIDS/STD Prevention and Control, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 102206, China
This study were supported by National Natural Science Foundation of China (No.81571991) and Nankai Starting Fund (No.ZB15006101)
Corresponding author: WEI Min, Email: weimin@nankai.edu.cn; SHAO Yi-ming, Email: yshao08@gmail.com.
Abstract: HIV-1 Nef protein has multifunctions which can keep high viral load in patients' plasma, accelerate AIDS progression, down-regulate crucial cell surface molecules, such as CD4, major histocompatibility complex (MHC) molecules, and enhance viral growth and infectivity. However, during the past two decades, the mechanism underlying the enhancement of viral growth and infectivity by Nef protein was unknown. Recently, host transmembrane proteins SERINC3 and SERINC5 (serine incorporator 3 and 5) were identified to be important host restriction factors against HIV-1. On the contrary, HIV-1 Nef protein antagonizes SERINC3 and SERINC5.
Key words: Acquired immune deficiency syndrome     HIV-1     Nef protein     SERINC3     SERINC5    

艾滋病作为严重的传染病,需要监测才能了解其在我国以及全世界的流行情况。疾病监测能更好地控制艾滋病的流行,并做好疾病的干预和预防。这是从大人群和疾病流行的角度分析问题。从个体角度来说,艾滋病病毒(或人类免疫缺陷病毒,HIV-1)进入人体,人体的免疫系统会发现病毒,并将之消灭。这就涉及病毒的人体免疫监测或者免疫监视。人体的免疫监视是重要的发现病毒、控制病毒复制的重要步骤,构成了人体的HIV-1免疫防御体系[1]。而另外一方面,HIV-1为了能够在人体内生存,病毒本身也编码蛋白拮抗人体的免疫防御系统[1-2]

在HIV-1的基因组中,两端为5′LTR(长末端重复序列)和3′LTR,中间为编码衣壳蛋白(Gag)、聚合酶蛋白(Pol)、包膜蛋白(Env)的结构蛋白,还有很多辅助蛋白,如Tat、Rev、Vif、Vpr、Vpu和Nef[2],见图 1。自发现HIV-1以来,这些辅助蛋白的功能,就成为科学家们研究的对象。Tat蛋白与HIV-1 LTR区的TAR RNA结合,反式激活病毒的转录;Rev蛋白和HIV-1 Env区的RRE(Rev Response Element)结合,负责将HIV-1基因组带出细胞核[3]。胞嘧啶脱氨酶Apobec3G(ApolipoproteinB mRNA editing enzyme-catalytic polypeptide 3G)和黏附素Tetherin(BST2)的发现,开启了人类发现宿主限制性因子的先河,具有重要的抗病毒作用,属于人体免疫的一部分;而病毒分别编码Vif和Vpu蛋白拮抗这2个宿主限制性因子[1, 4-5]

图 1 HIV-1 HXB2基因组示意图 Figure 1 Genome of HIV-1 HXB2 注:基因组编码的蛋白分别处3个不同的蛋白读码框(open reading frame,ORF),不同颜色分别标注HIV-1的结构蛋白Gag、Pol、Env和辅助蛋白Vif、Vpu、Vpr、Tat、Rev、Nef。Tat蛋白带有2个外显子;Rev蛋白也有2个外显子。粉色的为Nef蛋白(摘自HIV Sequence Compendium 2012,Los Alamos HIV Sequence Database and Analysis Staff)

HIV-1也编码Nef蛋白,Nef蛋白大约27×103~32×103,邻近HIV-1基因组的3′端,与3′LTR区部分重叠[1-2](图 1)。早期的研究表明,突变Nef蛋白后,HIV-1的复制能力增强;Nef蛋白有减慢HIV-1复制的能力,因此把此蛋白称为负调控因子(Negative factor,Nef)[6-7]。越来越多的证据表明,这个结果是错误的,Nef蛋白对于HIV-1的复制是正向的,带有Nef(Nef+)的HIV-1比缺失Nef(Nef-)的病毒复制能力更强,生长更快[8-9]。以前的差错可能是实验中干扰了HIV-1 3′LTR的转录,造成复制减慢[8-9],但Nef蛋白的名称却一直延用至今。Nef蛋白对于HIV-1是一个完全的正向调控因子,负调控因子的名称是误导[9]。Nef蛋白对于维持HIV-1在血浆中的高病毒载量起到重要作用,与艾滋病的疾病进展有关;如果出现突变,艾滋病进展缓慢。曾在长期病情不进展的艾滋病患者中发现有Nef突变的现象[10]。Nef蛋白的N端具有豆蔻酰基化修饰,可以和细胞膜结合。现在已知Nef蛋白是一个多功能蛋白,Nef蛋白加速疾病进展;促进病毒在CD4+细胞间的传播;下调CD4分子、MHC类等分子;Nef蛋白增强病毒的复制能力和感染性[9]

1 人体细胞膜跨膜蛋白丝氨酸整合因子3和5的发现

自从1994年发现Nef蛋白可以增强病毒的感染性,20多年来,其机制却并不清楚。这里的感染性是指病毒在细胞中建立感染的能力,通常用一轮病毒复制的能力表示,使用报告基因检测,如带有荧光素酶的Hela-TZM-bl细胞等。在以前的研究中,人们就发现不同的细胞对于Nef的依赖程度不同,有些细胞依赖Nef蛋白的程度很低。2015年,意大利Pizzato课题组做了深入细致的研究[11],在不同的细胞系中,把Nef+和Nef-的HIV-1感染性的比值(ratio)做比较。发现在T淋巴细胞系Jurkat TAg细胞中(带有SV40大T抗原的Jurkat E6.1细胞),Nef+/Nef-的HIV-1感染性比值最高为40;而在HT1080细胞中,Nef+/Nef-的感染性比值最低为2[11]。而其他细胞(如Hela、H9、MT2、HEK293T等)位于中间[11]。也就是说,Jurkat TAg细胞最依赖Nef蛋白,而HT1080细胞对于Nef的依赖程度很低,其他的细胞位于中间。Pizzato课题组的工作人员继续把Jurkat TAg细胞和HT1080做细胞融合,发现融合后的细胞对于Nef依然依赖,接近于Jurkat TAg细胞,提示可能有1个抑制因子在起作用。细胞融合实验是用来验证有抑制因子或者辅助因子的实验。如果上述的融合实验结果接近于HT1080细胞,也就是融合后的细胞表型接近于HT1080,对于Nef不依赖,那么可能为1个Nef的辅助因子。他们对7个最依赖Nef的细胞和8个对Nef依赖低的细胞做了全部的转录子(transcriptome)测序分析,并进行相关性分析,发现SERINC5(serine incorporator 5,丝氨酸整合因子5)与Nef的相关性最高,相关系数达到0.945[11]

意大利Pizzato课题组为进一步验证SERINC5的作用,在Jurkat TAg细胞中,使用CRISPR-Cas9技术敲除了SERINC5,发现Nef-的HIV-1感染性增加了20~30倍,而Nef+的病毒感染性只增加了2~3倍[11]。另外,在敲除SERINC5的Jurkat TAg中,当回补SERINC5,则Nef依赖的表型又重新恢复。他们又进一步在Nef依赖性低的HEK293T细胞中表达SERINC5,使得Nef-的HIV-1感染性降低了10~40倍[11]。这些结果表明SERINC5是抗Nef蛋白的抑制因子。这一结果也得到了美国麻省医学院Göttlinger课题组的支持[12]。他们比较了Nef+和Nef-的HIV-1中宿主蛋白,使用蛋白质组分析的方法,也发现了丝氨酸整合因子3(serine incorporator 3,SERINC3)和SERINC5的抗病毒作用。

目前,已知人类SERINC家族包括5个成员,SERINC1~5为跨膜蛋白,功能可能是负责合成细胞膜含有丝氨酸的脂类,如磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine)和鞘磷脂(sphingolipids)[13]。该家族中,只有SERINC3和SERINC5具有抗HIV-1作用,且SERINC5的作用强于SERINC3[11-12]

2 SERINC3和SERINC5的作用机制

目前,SERINC3和SERINC5的抗HIV-1作用还不完全清楚。简单来讲,在无Nef的情况下,细胞膜跨膜蛋白SERINC3和SERINC5可以进入到HIV-1粒子中,而当该病毒感染新的细胞时,病毒感染性降低,机制尚不明确[11-12]。Nef蛋白可以拮抗这一作用,Nef蛋白可以和SERINC5结合,使SERINC5到达Rab7阳性的溶酶体中,可能进一步降解[11-12]。这一机制与Vpu拮抗黏附素Tetherin(BST2)有相似之处。

HIV-1 Nef蛋白拮抗SERINC5的作用也可以被另外一个无关蛋白——鼠白血病病毒(murine leukemia virus,MuLV)的糖基化的Gag蛋白(glycoGag)代替[11-12]。MuLV的glycoGag蛋白,除了在N末端多了88个氨基酸外,其他的氨基酸与MuLV结构蛋白Gag相同,在一个读码框。MuLV的glycoGag蛋白使用CUG作为起始密码,在Gag的AUG起始密码上游[9, 11]。也就是MuLV也编码glycoGag蛋白拮抗SERINC5。另外反转录病毒——马传染性贫血病毒(equine infectious anemia virus)也编码S2蛋白拮抗SERINC3和SERINC5[14]

3 小结

SERINC3和SERINC5的发现在已有的宿主限制性因子上,又增加了2个。使得人们对于病毒与宿主的关系有了更深入的了解。这一发现也成为抗艾滋病药物研发的新靶点。更深入的研究,可能会揭示更广阔的发现。

作者贡献:

魏民  ORCID:0000-0003-0949-007X

魏民:收集整理文献、阅读文献,起草文章、最终定稿

邵一鸣:修改文章、最终定稿

参考文献
[1]
Malim MH, Emerman M. HIV-1 accessory proteins-ensuring viral survival in a hostile environment e[J]. Cell Host Microbe, 2008, 3(6): 388-398. DOI:10.1016/j.chom.2008.04.008
[2]
Frankel AD, Young JAT. HIV-1:fifteen proteins and an RNA[J]. Annu Rev Biochem, 1998, 67: 1-25. DOI:10.1146/annurev.biochem.67.1.1
[3]
Emerman M, Malim MH. HIV-1 regulatory/accessory genes:keys to unraveling viral and host cell biology[J]. Science, 1998, 280(5371): 1880-1884. DOI:10.1126/science.280.5371.1880
[4]
Sheehy AM, Gaddis NC, Choi JD, et al. Isolation of a human gene that inhibits HIV-1 infection and is suppressed by the viral Vif protein[J]. Nature, 2002, 418(6898): 646-650. DOI:10.1038/nature00939
[5]
Neil SJD, Zang T, Bieniasz PD. Tetherin inhibits retrovirus release and is antagonized by HIV-1 Vpu[J]. Nature, 2008, 451(7177): 425-430. DOI:10.1038/nature06553
[6]
Ahmad N, Venkatesan S. Nef protein of HIV-1 is a transcriptional repressor of HIV-1 LTR[J]. Science, 1988, 241(4872): 1481-1485. DOI:10.1126/science.3262235
[7]
Luciw PA, Cheng-Mayer C, Levy JA. Mutational analysis of the human immunodeficiency virus:the orf-B region down-regulates virus replication[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1987, 84(5): 1434-1438. DOI:10.1073/pnas.84.5.1434
[8]
Kim S, Ikeuchi K, Byrn R, et al. Lack of a negative influence on viral growth by the nef gene of human immunodeficiency virus type 1[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1989, 86(23): 9544-9548. DOI:10.1073/pnas.86.23.9544
[9]
Basmaciogullari S, Pizzato M. The activity of Nef on HIV-1 infectivity[J]. Front Microbiol, 2014, 5: 232. DOI:10.3389/fmicb.2014.00232
[10]
Deacon NJ, Tsykin A, Solomon A, et al. Genomic structure of an attenuated quasi species of HIV-1 from a blood transfusion donor and recipients[J]. Science, 1995, 270(5238): 988-991. DOI:10.1126/science.270.5238.988
[11]
Rosa A, Chande A, Ziglio S, et al. HIV-1 Nef promotes infection by excluding SERINC5 from virion incorporation[J]. Nature, 2015, 526(7572): 212-217. DOI:10.1038/nature15399
[12]
Usami Y, Wu YF, Göttlinger HG. SERINC3 and SERINC5 restrict HIV-1 infectivity and are counteracted by Nef[J]. Nature, 2015, 526(7572): 218-223. DOI:10.1038/nature15400
[13]
Inuzuka M, Hayakawa M, Ingi T. Serinc, an activity-regulated protein family, incorporates serine into membrane lipid synthesis[J]. J Biol Chem, 2005, 280(42): 35776-35783. DOI:10.1074/jbc.M505712200
[14]
Chande A, Cuccurullo EC, Rosa A, et al. S2 from equine infectious anemia virus is an infectivity factor which counteracts the retroviral inhibitors SERINC5 and SERINC3[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2016, 113(46): 13197-13202. DOI:10.1073/pnas.1612044113