【2.1】病毒膜融合蛋白的结构和机制

  • 最近的工作已经根据结构标准确定了三类不同的病毒膜融合蛋白。
  • 此外,至少有四种不同的机制可以触发病毒融合蛋白进行融合诱导构象变化
  • 病毒融合蛋白还包含不同类型的融合肽,它们对辅助蛋白的依赖程度各不相同
  • 这些不同的特征结合起来产生了丰富多样的融合蛋白

然而,尽管存在这种惊人的多样性,所有特征化的病毒融合蛋白都从具有融合能力(fusion-competent)的状态(二聚体或三聚体,取决于类别)转变为膜嵌入的同源三聚体前发夹,然后转变为带有融合肽的发夹三聚体, 附着在靶膜上,以及跨膜域,附着在病毒膜上,靠近从而促进病毒和目标膜的结合。在这些构象转换过程中,融合蛋白诱导膜通过紧密并列、半融合、然后形成小的融合孔,最后形成大的融合孔。显然,高度不同的蛋白质已经集中在相同的整体策略上来介导融合,这是每个包膜病毒生命周期中必不可少的一步。

病毒-细胞融合是所有包膜病毒(包括人类免疫缺陷病毒 (HIV) 和埃博拉病毒等毁灭性人类病原体)进入细胞并启动致病循环复制的手段。在所有情况下,病毒-细胞融合都由一种或多种病毒表面糖蛋白执行,包括通常称为融合蛋白的一种。某些病毒融合蛋白因感染而在细胞表面表达时会诱导细胞-细胞融合,而细胞-细胞融合可导致病毒传播、毒力、持久性和其他不利后果。由于病毒融合蛋白可以介导导致感染的病毒-细胞融合和病理性细胞-细胞融合,因此它们越来越多地被视为抗病毒干预的目标。

近年来,我们对介导包膜病毒与其宿主细胞融合的蛋白质和蛋白质复合物的理解取得了重大突破。特别是,大量信息表明,所有特征性病毒融合蛋白都通过形成共同的构象异构体——发夹三聚体——并通过膜动力学的共同途径强制膜来介导膜融合。然而,值得注意的是,融合蛋白本身在序列和结构上非常多样化,并被不同的触发机制激活、

一、统一的发夹三聚体融合机制 The Unifying Trimer-of-Hairpins Fusion Mechanism

膜融合需要使两个独立的膜双层紧密接触,然后将它们合并为一个(图 1A)。一个关键的干预步骤是半融合,在此期间,外部接触单层的小区域合并,而内部单层保持完整(图 1Av)。半融合中间体的分解导致内部单层合并并产生一个小的融合孔,它可以扩大(图 1Avi)。在细胞融合反应中也采用了这种膜对半融合至融合孔形成和扩大的途径,包括细胞内融合事件和细胞-细胞融合反应

病毒-细胞融合由成熟病毒包膜的一种或多种表面糖蛋白介导。融合可发生在中性 pH 值的细胞表面或低 pH 值的内体隔室中。对于某些病毒(例如逆转录病毒),只需要一种病毒表面糖蛋白,而对于其他病毒(例如,副粘病毒和疱疹病毒)则需要额外的病毒蛋白(表格1)。融合蛋白以“天然”融合能力存在于成熟病毒表面,这种状态通常但不总是亚稳态。触发后,蛋白质转化为前发夹中间体( prehairpin intermediate),嵌入目标膜中(图 1Aii) 通过称为融合肽的非极性区域。在所有研究的情况下,膜嵌入的前发夹中间体是融合亚基( fusion subunit )的同源三聚体,无论天然融合蛋白的胞外域是二聚体还是三聚体(表​1 和 ​和2)。通常设想融合的下一阶段涉及将几个膜嵌入的三聚体前发夹募集到融合位点(图 1Aiii),然后是一系列戏剧性的折回步骤,在此期间融合亚基转化为紧凑的棒状发夹三聚体( rod-like trimer-of-hairpins)(图 1Aiv-vi),这通常是其能量最稳定的构象。因此,转换到最终状态被认为有助于克服膜合并的巨大能量障碍。

来自不同包膜病毒家族的融合蛋白

I类、II类和III类融合蛋白的特性

病毒融合蛋白的多样性。病毒融合蛋白之间的主要区别在于它们的结构类别(左)和融合触发模式(右)

二、聚变触发机制的多样性

融合蛋白以“天然”融合能力状态位于病毒粒子表面,在这种状态下,融合亚基通常被称为“被夹住”。具有融合能力的状态的产生通常是通过先前的引发事件来实现的,在所研究的情况下,这是通过融合蛋白前体或辅助蛋白的蛋白水解切割来实现的。表 2)。为了发生融合,融合蛋白必须被融合触发激活,我们将其定义为转化天然融合蛋白的环境刺激(或刺激)。图 1Ai) 到膜嵌入的前发夹 (图 1Aii 和 iii),然后到其最终的发夹三聚体构象(图 1Avi)。因此,我们将融合激活定义为将融合蛋白从具有融合能力的状态转化为最终的发夹三聚体形式所涉及的所有步骤(即图 1A)。

如所示 图2,至少有四种类型的融合触发:低 pH 值、受体结合、受体结合后低 pH 值的组合,以及丝状病毒采用的一种新的但仍未完全表征的机制。特定的 I 类蛋白质可以被每个已知的触发器激活,而所有被表征的 II 类蛋白质都可以被低 pH 激活。在已知的 III 类蛋白质中,一种被低 pH 激活,而另一种需要伴随蛋白质与特定宿主细胞受体的相互作用(在某些情况下也需要低 pH)。以前认为给定病毒家族的融合蛋白使用共同的融合触发(例如., 受体结合或低 pH 值)。然而,现在似乎很明显,一个家庭的特定成员可以使用不同的触发器。例如,虽然许多副粘病毒、疱疹病毒、逆转录病毒和一些冠状病毒通过与宿主细胞受体的相互作用而被激活,但据报道,其他冠状病毒需要低 pH 值

更多细节,见文献

三、I、II 和 III 类病毒融合蛋白

参考资料

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