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【唾液酸黏附素SN及其介导PRRSV感染猪肺泡巨噬细胞的研究进展】选择素介导的起始黏附

发布时间:2019-02-23 04:46:09 影响了:

  摘要:PRRSV是一种能够引起母猪的生殖性疾病和各个年龄阶段猪的呼吸性疾病的RNA正链病毒,在动物体内,PRRSV对单核细胞和巨噬细胞分化的亚群细胞有选择性趋性。唾液酸黏附素SN,又称为CD169或Siglec-1,是唾液酸结合的免疫球蛋白样凝集素,属于Ig超家族的I型膜蛋白。猪SN基因与人、小鼠等物种存在显著的差异,物种间胞质尾区同源性较差,N端区域表现出物种的特异性,R97和R116是猪SN的N端区域重要的氨基酸。SN的N端区域介导与PRRSV的结合,并且这种结合依赖于病毒表面的唾液酸,SN可能也介导病毒的内化作用。PRRSV非易感性细胞表达重组SN后可以粘附和内吞病毒,但不能有效感染。猪的SN介导PRRSV进入PAM的作用机制还不清楚,对SN基因、PRRSV感染机制等目前取得的研究进展进行了阐述。
  关键词:猪;唾液酸黏附素(CD169);PRRSV;肺泡巨噬细胞(PAM)
  中图分类号:S852.65文献标识码:A文章编号: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)
  
  猪繁殖与呼吸综合征病毒(PRRSV)是一种被包被的RNA正链病毒,和马动脉炎病毒、乳酸脱氢酶病毒、猴出血热病毒同属于动脉病毒科[1,2]。PRRSV可以引起母猪的生殖障碍(导致晚期流产,产死胎和弱仔)和各个年龄阶段猪的呼吸性疾病[2]。在动物体内,PRRSV对巨噬细胞分化的亚群细胞有选择性[3],猪的肺泡巨噬细胞和非洲绿猴肾细胞可被PRRSV感染[4]。
  目前已经在猪肺泡巨噬细胞(PAM)上鉴定出3种PRRSV受体细胞,分别是硫酸乙酰肝素(HS)、唾液酸黏附素(CD169或SN或Siglec-1)、CD163[5]。在鼠、人类和猪中,SN是惟一在组织巨噬细胞的亚细胞表达的,主要分布在脾、淋巴结、骨髓、肝脏、结肠和肺[6]。PRRSV早期与PAM的接触主要是通过HS介导的,而SN在PRRSV与PAM的粘附和内吞过程都是必需的;尽管HS对SN介导的内吞作用不是必需的,但它可以增强内化的作用[7];CD163可以促进脱衣壳和释放病毒RNA[8]。
  1不同物种间SN基因的比较分析
  1.1SN基因结构
  唾液酸黏附素SN,也称为Siglec-1或CD169,最开始被定义为绵羊红细胞受体[9],然后被鉴定为是一种唾液酸结合免疫球蛋白样凝集素受体[10],而且有17个区域的复杂结构[11],分子结构包括细胞外区、跨膜区和胞内区三段[12],其中胞外区含有免疫球蛋白V区或C区样结构[13]。
  猪的SN基因长5 193 bp,编码210kDa蛋白,与人和小鼠都有显著的不同[14]。登录GenBank获得猪、人和小鼠的氨基酸序列,进行比对,结果表明猪和小鼠的CD169完整的氨基酸序列同源性为69%,猪和人的CD169完整的氨基酸序列同源性为79%,人与小鼠的SN具有72%的氨基酸同源性。猪的SN包括1 730个氨基酸,SN的胞质尾区由1 667-
  1 730共64个氨基酸残基组成;人的SN包括19个氨基酸的主导肽,一个1 622氨基酸残基的胞外区和一个47氨基酸残基的胞质尾区[15]。类似于小鼠的SN[11],人的胞外区也包括17个Ig样区域,其中有一个N端V区和16个C2区,表现出长短区域的交互模式。在人和小鼠中Ig样区域的同源性达到60%~80%,并且每个Ig样区域的大小都是高度保守的,17个区域中只有4个区域的氨基酸长度不同。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文   1.2SN的胞质尾区
  猪的SN的cDNA与鼠和人分别享有69%和78%的同源性,但胞质尾区也各有特点,其中一个特点是猪的SN作为蛋白内化的信号的胞质尾区的Phe1671-Tyr-Lys-Leu氨基酸残基,这部分离跨膜区很近[16-18]。另一个特点是有2个潜在的糖基化位点,一个在蛋白激酶C的1 664位,另一个在酪蛋白激酶2的1 674位[15]。
  胞质尾区的保守性很差,人比小鼠的类似物长12个氨基酸,整个长度只有30%同源性[15]。SN的胞质尾区由2个短的外显子编码[19],猪的外显子20
  (24个氨基酸残基)与小鼠和人分别享有37%和58%氨基酸同源性;外显子21的大小和序列在3个物种都不保守,可能是由类似于鼠的选择性剪接造成[11]。
  1.3SN的N端区域
  人和小鼠的N端区域是最高度保守的[15],人和小鼠SN的N端区域表现出Siglecs的所有结构特征,特别是对于唾液酸结合重要的氨基酸在人和小鼠中是相同的[20]。
  小鼠的N端区域可以单独介导唾液酸结合,不需要其他区域[21]。An等[22]的试验结果表明,猪SN 的N端序列的17-150aa对PRRSV粘附受体细胞有重要作用。猪的SN蛋白的N端序列的前150个氨基酸,与小鼠的SN只有64.5%的同源性,唾液酸结合位点(48-97aa)只有41.2%的同源性,似乎物种的特异性很可能位于N端区域,解释了在这些区域发现的序列差异。
  1.4N端的重要氨基酸
  May等[20]合成了SN的唾液酸结合区域与3’唾液酰乳糖的复合物,揭示了唾液酸与Siglec家族结合的关键特征。在这个复合物中,唾液酸与3个残基的侧链有交互作用:W2、R97和W106,这3个氨基酸分别位于V区域的A、F和G段。这些残基在Siglec所有成员中都是高度保守的,似乎这些分子中提供了重要的唾液酸识别位点。精氨酸残基对唾液酸依赖性的粘附是关键的,即使精氨酸保守地与赖氨酸替换,也会导致结合的显著降低,这是因为在SN的唾液酸结合区域与3’唾液酰乳糖的复合物中精氨酸残基和唾液酸的碳水化合物形成了一个盐桥,而且精氨酸残基可以和唾液酸的甘油侧链形成疏水性的接触,R97的精氨酸被替换后,可能会影响疏水性作用和盐桥的形成,导致结合能力降低。W2和W106是深藏于疏水核中的氨基酸残基,在唾液酸黏附素中,扩展的β折叠很可能使W2和W106暴露出来,使它们能够与唾液酸发生相互作用。
  将编码野生型和突变型SN的DNA融合到人类IgG1的Fc段,形成Fc段嵌合体[23]。把Fc嵌合体中的Trp-2替换成谷氨酰胺,导致结合活性完全丧失;同样地,把Arg-97替换成丙氨酸,导致检测不到与唾液酸类似物的相互作用。然而,把Arg-97替换成赖氨酸,导致突变型比野生型的亲和力下降了10倍[24]。Delputte等[14]研究了猪的SN结合唾液酸的活性是否可以通过定点突变消除,在猪的SN的N端区域的R116位点引入谷氨酸突变后,突变体不能结合唾液酸,但是野生型可以结合并且内化唾液酸,证明SN的R116位点是结合唾液酸的关键位点,对于结合唾液酸的活性起重要作用,这也证明了SN的N端区域是PRRSV的一个结合区域。Van Breedam等[25]通过定点突变构建了pEE14-
  pSn4DRE-3C-Fc融合蛋白,此蛋白引入了一个点突变(R116E)到唾液酸结合区域,使突变后的融合蛋白不具有唾液酸结合活性,并且证明了SN主要与PRRSV的GP5蛋白和M蛋白上的唾液酸发生相互作用。
  1.55个不同物种SN启动子的预测
  登录Ensemble网站,获得猪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,选取包含SN序列调控区域和第一外显子的基因组DNA序列。
  应用启动子在线分析软件Berkeley Drosophila Genome Project进行分析,得到的结果是对于CD169基因,猪在调控区域的450-500bp和514-564bp可能存在启动子,人在调控区域的416-466bp可能存在启动子,小鼠在调控区域的546-596bp可能存在启动子,牛在调控区域的339-389bp、430-480bp、464-514bp、530-580bp可能存在启动子,狗在调控区域的549-599bp可能存在启动子。
  25个不同物种SN基因氨基酸差异的比较分析
  2.15个不同物种SN前150个氨基酸比对分析
  登录GenBank获得牛、小鼠、猪、狗和人的CD169氨基酸序列,登录号分别为XP_875911.3、NP_035556.3、 NP_999511.1、 XP_542917.2、NP_075556.1,并对5个氨基酸序列进行比对。结果显示猪和牛的CD169完整的氨基酸序列同源性为82%,前150个氨基酸序列同源性为71%;猪和小鼠的CD169完整的氨基酸序列同源性为69%,前150个氨基酸序列同源性为63%;猪和狗的CD169完整的氨基酸序列同源性为77%,前150个氨基酸序列同源性为72%;猪和人的CD169完整的氨基酸序列同源性为79%,前150个氨基酸序列同源性为72%。5个物种的CD169前150个氨基酸序列比对结果见图1和表1。
  An等[22]对SN的N端区域进行了预测,猪的SN的N端区域一共有12个β折叠,小鼠的有10个β折叠,小鼠的N端区域与猪相比,有9个β折叠与猪相同,不同的1个β折叠位于氨基酸107-110区域,而猪与小鼠不同的3个β折叠分别位于氨基酸9-14、62-65和113-118三个区域。小鼠的13和14位氨基酸分别是V、F,猪是S、A;小鼠的108位氨基酸是E,猪是Q(图1)。氨基酸差异可能是造成小鼠和猪的二级结构不同的原因。
  2.25种不同物种SN蛋白第151个氨基酸至最末端比对结果
  登录GenBank获得牛、小鼠、猪、狗和人的CD169氨基酸序列,比对5个物种SN第151个氨基酸至最末端序列的同源性。猪和牛、小鼠、狗、人的第151个氨基酸至最末端序列的同源性分别为83%、70%、77%、79%。
  猪的SN的胞质尾区由1 667-1 730共64个氨基酸残基组成。从图2可以看出,牛、小鼠、猪、狗、人共5个物种的SN的胞质尾区的同源性较低,猪SN的胞质尾区比牛、小鼠、狗、人的分别多15、32、4、20个氨基酸残基。
  3SN的N端区域结合PRRSV
  近年来,SN的N端区域被认为可能与PRRSV结合有关[14]。抗SN的单克隆和多克隆抗体可以抑制PRRSV和细胞受体的结合,但是抑制的机制是不同的。一种抗SN的单克隆抗体MAb41D3可以阻止PRRSV感染PAM[26]。直接抗SN的单克隆抗体
  MAb41D3可以直接与SN结合,从而阻止PRRSV粘附PAM,这是直接抑制PRRSV结合SN的方法。还有一种间接抑制的方法,即通过抗N端非结合位点表位的抗体产生位阻效应,达到间接抑制PRRSV结合SN的目的。抗体血清S150对病毒结合受体细胞的抑制作用就是采用的间接抑制方法,抗体血清S150是由特异性抗受体结合位点的抗体和抗N端非结合位点表位的抗体组成,可以通过抗体S150结合到SN的非病毒结合位点的表位,产生位阻效应,从而干扰病毒结合到受体细胞,然后构建了含有N端序列的重组质粒,结果表明这个质粒可以介导病毒的粘附作用。这个试验证明了猪SN的N端区域对PRRSV粘附PAM细胞是必需的[22]。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文   4PRRSV粘附和感染对唾液酸具有依赖性
  PRRSV粘附和感染PAM都表现出对病毒的唾液酸的依赖性[27]。一些病毒,例如Theiler’s的鼠脑脊髓炎病毒[28]、腺病毒37型、人多瘤病毒属JC病毒[29]、1型呼吸道肠道病毒、冠状病毒、可传播性胃肠炎病毒[30]和一些轮状病毒[31]等是与靶细胞表面的唾液酸粘附的。Delputte等[27]在试验中发现,
  PRRSV是通过病毒表面的唾液酸介导感染的,而不是靶细胞表面的唾液酸。分别用未处理的绵羊红细胞和唾液酸苷酶处理的绵羊红细胞进行试验,发现猪SN结合唾液酸;而且,含有N-糖苷键的PRRSV移除N-糖苷键后可以降低PRRSV感染,但是移除非唾液酸N端结合的聚糖则没有明显效果。这些结果表明,猪SN是一种与PRRSV表面的唾液酸结合的凝聚素,PRRSV的唾液酸和猪SN存在相互作用,而且SN介导PRRSV的粘附作用具有病毒唾液酸依赖性。
  5猪SN可能对PRRSV具有内吞作用
  PRRSV非易感性细胞表达重组SN后可以粘附和内吞病毒,但不能有效感染,病毒明显停留在细胞内,但病毒RNA没有在细胞质中释放,表明PRRSV非易感细胞缺少感染所必需的胞内因子[6]。PK-15细胞是PRRSV非易感细胞,构建重组SN的PK-15细胞,检测到了内化的病毒颗粒,但是没有观察到病毒与内吞小泡膜融合后的脱衣壳作用和裂解现象,表明病毒与受体的融合过程受到了阻止[6]。PRRSV通过受体的网格蛋白小窝和小囊泡介导的内吞过程进入细胞[32],随后胞体内pH值的降低是病毒复制的必要条件。
  猪SN可能与内吞作用有关。直接抗SN的抗体MAb41D3与SN结合后,MAb41D3特异性地陷入PAM,这个过程可以被抗微生物的药物(amantadine)阻止,amantadine是一种阻止离子膜网格蛋白小窝内陷的药物。而且,在内化的过程中,质膜的网格积累MAb41D3斑。这些结果表明猪SN能够起到调节网格蛋白依赖性的内吞作用[6]。
  猪SN介导PRRSV进入PAM的作用机制还不清楚,PRRSV通过受体的粘附与内吞作用进入PAM、脱衣壳和释放病毒RNA等过程还需进一步研究,这些研究可为探索猪SN在病原致病分子机理中的作用打下基础。
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