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疱疹病毒US10基因及其编码蛋白研究进展

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中国人兽共患病学报 2017,33(1) Chinese Journal of Zoonoses 61 DOI:10.3969/i.issn.1002—2694.2017.01.012 疱疹病毒USI O基因及其编码蛋白研究进展 张代熙,程安春,汪铭书 摘 要:疱疹病毒US10基因位于其基因组的短独特区,是病毒复制的非必需基因,编码病毒的磷酸化衣壳一皮层蛋白 或I型跨膜糖蛋白,可通过特异性识别非经典MHC I型分子的HLA—G胞质尾区,来下调HLA G的表达量并阻断宿主NK 细胞对病毒的杀伤,从而参与病毒的免疫逃逸;该蛋白通过与宿主蛋白相互作用而发挥致病作用,也能调节其它病毒蛋白如 糖蛋白E(gE)等的表达。对US10结合RNA的能力及在病毒转录后、病毒毒力中的作用有待于深入研究。 关键词:疱疹病毒;US10基因;U¥10蛋白;免疫逃逸 中图分类号:R373.I 文献标识码:A 文章编号:1002—2694(2017)01—0061—06 Advance in Herpesvirus US1 0 gene and its encoded protein ZHANG Dai—xi,CHENG An—chun,WANG Ming—shu (Avian Diseases Research Center,College of Veterinary Medicine,Sichuan Agricultural University/ Key Laboratory of Animal Diseases and Human Health of Sichuan Province/Institute of Preventive Veterinary Medicine,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China) Abstract:US10 gene of Herpesvirus is located in the short unique region of its genome and not essential for virus replica— tion.USIO gene encodes a phosphory1ated tegument—capsid associated protein or type I transmemhrane glycoprotein which se一 1ectively targets the cytoplasmic tail of HLA—G,a kind of nonclassica1 class I MHC molecular,to reduce and block the host NK cell cytotoxicity in immune evasion.US10 can also interact with host proteins to play a pathogenic role and regulate the expres— sion of other viral proteins such as glycoprotein E(gE).Through further research,the role of US1 0 in virulence and its ability to combine with RNA and regulate transcription can be j udged in the future. Keywords:Herpesvirus;US10 gene;US10 protein;immune evasion Supported by the National Technological Support Projects of China(No.2015BAD12B05)and the China Agricultural Research System(No.CARS-43—8) Corresponding author:Cheng An—chun,Email:chenganchun@vip.1 63.corn 疱疹病毒是一种重要的人兽共患病病原,分为 a、I3和y三类亚科[1]。成熟病毒粒子近似球形,由 核心(core)、衣壳(capsid)、皮层(tegument)和囊膜 (envelope)组成_2。]。疱疹病毒基因组分为长独特 区(UL)、短独特区(US)、内部重复区(IR)和末端重 特区,是病毒复制的非必需基因E5-73。疱疹病毒 US10基因编码毒粒蛋白,其中a一疱疹病毒的1型 人类单纯疱疹病毒(HSV-1)的U¥10基因编码一 种衣壳一皮层相关联的磷酸化蛋白_8],目前该蛋白的 功能尚未完全阐明;I3一疱疹病毒中人巨细胞病毒 (HCMV)的U¥10基因编码I型跨膜糖蛋白,它通 过延缓经典MHC I型分子运输、下调非经典MHC 工型分子HLA—G的表达量、阻断HLA—G介导的 复区(TR)四个部分[3 ],其中US10基因位于短独 国家科技支撑计划(No.2015BAD12B05)和国家现代农业(水禽)产 业技术体系专项(CARS-43—8) 通讯作者:程安春,Email:chenganchun@rip.163.COITI NK细胞杀伤能力,参与病毒的免疫逃逸l9。。。;7-疱 疹病毒目前尚未见USIO的报道。以下就USIO的 作者单位:1.四川I农业大学动物医学院禽病防治研究中心,成都 611130: 结构和功能做一简要综述,以便为疱疹病毒US10 的深入研究提供参考。 2.四川农业大学动物疫病与人类健康四川省重点实验 室,成都 6l1130; 3.四川农业大学预防兽医研究所,成都 611130 62 1 US1O基因的研究进展 中国人兽共患病学报 2O1 7,33(1) 灵长类动物的疱疹病毒如猴疱疹病毒2型…’、黑猩 猩 1疱疹病毒 一及人单纯疱疹病毒1型 的 US10基凶均与US1 1基 具有编码区重叠的现象 (见I冬I 3),且US10、US1 1和US1 2的mRNA为3 1.1 US10基【大j的结构 疱疹病毒USl0基因(或 同源基凶)通常为单拷贝,如鸭瘟病毒(DPV)、鸡马 立克氏病毒(MDV)和HCMV( 图1),位于病毒基 【大j组的短独特区;但也有例外。如禽传染性喉气管炎 病毒(II TV)US10基因… 、8型马疱疹病毒(EHV) wH株的IR5基冈 ]及水痘一带状疱疹病毒(vZV) 端共终端。鸭瘟病毒(DPV)、马立克氏病毒(MDV) 与其他C{-疱疹病毒相比,基冈排列顺序为一US1一 US1O—S()RF3一US2一US3一,US10发生了易位,与 US1、US3转录方向一致”。 的()RF64基 l1 等,以对称双拷贝形式m现于内 。部重复区和末端重复 ,且转录方向相反(见 2)。 MDV 哪IRCMV佃j匾 ●—匿_4m1◆ USS ●__—_圜一..-四曩 uS10 圄 —_圜-..-嘲-圜_ ..-囡4Enl4 ̄ll E [:>US4 [二二二j盈[二=> 口露 > < 豳口 仓§ US10 图1 以单拷贝形式存在于短独特区的USIO基因的几种疱疹病毒 Fig.1 Single-copy US10 gene which locates in Unique Short Region Vzv[== ..1—团 ORF84 ORF65 —蕾团◆_●_衄圈__ <==] oRF69 ◆ LIS7 ILTV[:>...●_ I◆◆— USlO US2 US3¥ORFl US4 ◆< US10 US8 US9 sORF 413 sORF 413 ◆ USro E]bPv'-1 0’ 佃佃一日—一日圈 叫I I目◆ 糍 ◆ 图2 以双拷贝形式存在于内部重复区和末端重复区的US1I}基因(或同源基因)的几种疱疹病毒 Fig.2 Double-copies US10 gene(or its homologues)which locate in Internal Repeat Region and Ter— minal Repeat Region RNA I RNA US8A c:> US9 图3人单纯疱疹病毒l型、猴疱疹病毒2型、黑猩猩“l疱疹病毒USIO与USIl编码区重叠,且 US10、USI1、US12的mRNA为3 端共终端 Fig.3 ORF of US10 gene has a 1 10 codon out—of-frame overlap with that of the USI 1 gene,and US10.USI l and US12 genes share the common 3 terminus in HSV一1.Cercopithecine her— pesvirus 2 and chimpanzee herpesvirus 1期 张代熙等:疱疹病毒USlO基因及其编码蛋白研究进展 63 2o12年,Watson[183等发现HSV-1强毒McK— 其它已报道的疱疹病毒US10蛋白均定位于细胞 质:Huber等_2 运用复制缺陷型腺病毒作载体表达 HCMV USIO基因,通过共聚焦免疫荧光显微镜观 察到U¥10蛋白在HEC一1A细胞质中以离散形式 存在,并与钙联蛋白(calnexin)和蛋白二硫键异构酶 (Protein Disulfide Isomerase,PDI)共定位于内质 网上,U¥10不与细胞连接标记蛋白——8一连环蛋白 (t?-eatenin)共区域化,即U¥10蛋白不能到达细胞 rae株在第143和416碱基处发生了插入突变,造成 阅读框下游一系列移码突变而形成了独特的C端 蛋白序列;Mckrae株的US10基因可编码317个氨 基酸,较其他HSV一1毒株增加了5-17个氨基酸残 基。2013年Garcia[1 9]对比ILTV弱毒LT—Ivax@疫 苗株和强毒81658株的US10基因序列,发现第136 位氨基酸密码子由ATG突变为ATA,对应氨基酸 由蛋氨酸变为异亮氨酸,且ATA突变仅存在于强 毒株81658,其余弱毒株无此现象,推测该位点可能 与ILTV毒力有关。2014年,Yang_2叩等在分析 DPV致弱毒株基因组分子特性时发现:3种DPV 强毒株(2085、CSC和cHv株)US10基因序列相似 性为100%,而弱毒株K p63株在第747位核苷酸 后插入了一个碱基T,使得USIO从249位氨基酸 起发生移码突变,推测该位点可能影响了DPV的 毒力。 1.2 US10基因的类型 疱疹病毒的基因表达严 格遵循线性顺序,依照转录顺序的先后可分为立即 早期基因a、早期基因J3和晚期基因 扎 引。Hold— enl2 等采用RNA杂交和S1核酸酶最早分析 EHV一1 IR5基因的转录时相,发现感染病毒后2h 能检测出长0.9 kb的单股mRNA,且该mRNA的 合成受到核酸合成抑制剂膦酰乙酸(Phosphonoace— tic Acid,PAA)抑制,确定了EHV一1的IR5基因为 y基因。其后,Yamada 发现添加PAA的HSV-1 感染细胞中检测不出US10蛋白;而对照组于接毒 后10h开始检测出US10蛋白,并于15h到达峰值, 证明HSV一1 U¥10基因属于7基因。2013年, Garcial_1 结合药物抑制试验和转录时相分析证实 ILTV US10为8基因。 2 US1O蛋白的研究进展 2.1 US10蛋白的结构强、弱毒株DPV的US10 基因编码蛋白的氨基酸数量差异较大,由160个到 309不等,通常呈c段保守,N段不保守[2 。HC— MV的US10蛋白由胞外区、跨膜区及胞质尾区构 成_gj。HSV一1、ILTV、DPV的US10及EHV一1的 IR5均含有13个氨基酸构成的保守序列,经推测该 序列为C HC型锌指结构(C-X3一C—X3一H~X3一 C)c 一 。, 。 2.2 U¥10蛋白的亚细胞定位 蛋白在宿主细胞 内的定位对蛋白的功能有指导意义。Yamada等[2 通过间接免疫荧光实验观察到HSV一1感染的Vero 细胞中US10蛋白主要定位于细胞核。除此之外, 表面。2010年,Maol_2 构建了US10一EGFP及AUS10一 EGFP两种MDV重组病毒,通过EGFP可在DF~1 细胞中观察到MDV的US10蛋白与SCA2共定位 于细胞质中。 2.3 US10蛋白为病毒结构蛋白 为了确定HSV一 1的US10蛋白是否为病毒衣壳的组分,Yamada等 将HSV病毒粒子的囊膜和皮层一衣壳部分通过超速 离心分开,用US10抗体分别与上清(囊膜部分)和 沉淀(皮层一衣壳部分)进行免疫印迹,结果显示:上 清样本没有条带,沉淀样本获得了目的条带,即 HSV US10为皮层一衣壳蛋白 引。其他疱疹病毒 US10是否为结构蛋白尚未见报道。 2.4 US10蛋白参与免疫逃逸HCMV通过抑制 T细胞的识别功能及NK细胞毒性产生免疫逃逸。 NK细胞主要依赖于细胞表面的受体如非典型 MHC I类分子HLA-G来进行调节,HCMV的 U¥10编码的I型跨膜蛋白定位于内质网,可干扰 HLA—G在内质网上的加工过程,下调HLA—G在细 胞表面的表达量,从而间接抑制NK细胞发挥其正 常的免疫功能L9 。 2.4.1 US10降低HLA—G在细胞膜表面的表达量 Park等_1 研究HCMV的U¥10与非经典MHC I类分子HLA—G的关系时发现,US10可显著下调 细胞HLA—G的表达水平,而US9蛋白对细胞 HLA—G的表达水平无影响。再将可稳定表达 HLA—G的人类包皮成纤维细胞(Human foreskin fibroblasts,HFF)分别感染HCMV野毒株AD169、 缺失株△US2一US11和缺失株RV670(缺失US2一 US1l段所有基因但保留US10基因)并测定细胞中 经典MHC I类分子和非经典MHC工类分子 HLA—G的表达量,结果AD169感染细胞中经典 MHC工类分子和HLA-G的表达量均显著下降;缺 失株△US2一US11感染细胞中经典MHC I类分子 和HLA—G的表达量无变化;缺失株RV670感染细 胞中HLA—G表达量大幅降低,但经典MHC I类分 子表达量无显著变化,表明US10仅特异性下调 HLA—G而不干涉经典MHC工类分子。 64 中国人兽共患病学报 2.4.2 US10蛋白胞质尾区残基对HLA—G降解起 着关键作用 为探究对HLA—G有下调的HCMV US10蛋白的关键区域,Park等口。。构建了缺失胞质 尾区171-185氨基酸残基的缺失株US10△CT及缺 失跨膜区与胞质尾区的缺失株US10ATM+CT, 比较两个缺失株与野毒株感染细胞的HLA~G表达 量,结果两个缺失株感染细胞中HLA—G的表达量 均无变化,而亲本株感染细胞的的HLA—G表达量 下降,表明US10下调HLA—G的表达需要依赖于 US10的胞质尾区。 为确定胞质尾区的哪些氨基酸位点是降低 HLA—G表达的关键位点,Park等构建了截去胞质 尾区第177—185位氨基酸的US10A177-185突变 株,突变株表现了与野毒株同等的HI A—G下调作 用,表明胞质尾区残留的第171—176位氨基酸 (TRSLI I )是发挥下调HLA—G表达量的关键位 点;进一步又构建了174位的亮氨酸被替换为丙氨 酸的TRS 1AI LL株、174—175位的亮氨酸被替换为 丙氨酸的TRS lAAI L株和174—176位的亮氨酸均 被替换为丙氨酸的TRS IAAAI ̄,结果TRS Al LL 株突变株感染细胞内HLA—G表达水平较低但稍高 于亲本株,TRS lAAl L突变株感染细胞内HI A—G 表达水平开始恢复,TRS』AAAl突变株感染细胞内 HLA—G表达水平恢复正常,表明胞质尾区第174— 176位的三个亮氨酸是US10识别并靶向作用 HI A—G的关键位点_1 。 2.4.3 US10特异性靶向作用于HLA—G的短胞质 尾区 HLA—G对US10介导的降解作用的敏感性 是自身固有的。相较于经典MHC I类分子,HLA— G的胞质尾区更短,由6个氨基酸组成 (RKKSSD)[293。Park等构建了HLA—G△CT(缺失 胞质尾区)和HLA—A2/G tail(经典MHC工类分子 HLA—A2去掉自身胞质尾区,装配HLA—G的胞质 尾区)两个突变细胞株,结果HLA—GACT的HLA— G表达水平不受US10影响;而HI A—A2/G tail的 HLA-G表达水平受到了US10调节。为进一步验 证HLA—G胞质尾区的作用,Park将US10分别转 染进表达HLA—G和HLA—E的HeLa细胞中。 HLA—E与HLA—G结构非常相似,也是一种非经典 的MHC I类分子,除胞质尾区有33个氨基酸外其 余部分均与HLA—G相同。经免疫印迹法检测, HLA—G的蛋白水平受到US10的显著影响,而 HI A—E仅轻微减少,表明HLA—G的短胞质尾区对 于US10介导的特异性靶向降解作用是至关重要 的 。 2.4.4 US10调节HI A—G介导的NK细胞杀伤作 用HI A—G可抑制外周血NK细胞(pNK)对I型 人类B细胞系721.221的杀伤作用 。 。Park等 将pNK细胞分别与721.221、721.221/HLA—G或 共表达US10的721.e21/HLA—G进行共培养,观 察到US10可降解721.221细胞中的HLA—G。而 能表达HLA—G的721.221细胞与亲代细胞相比, 对pNK的细胞毒性具有抵抗性。U¥10阻断了 HLA—G对NK细胞的正常调节,从而发挥免疫逃 避的作用_1 。 2.5 US10与疫苗研发US10基因是病毒复制的 非必需基因,因此被广泛用作重组病毒的插入位点。 2010年,Gao等口 将HSN1禽流感病毒HA基因 插入HVT的US10基因处并测定了重组病毒的体 外生长曲线及免疫保护效果。2014年Zhang[3 等 将H9N2 HA基因插入MDV 3个内源位点US2、 US10、Meq和外源位点gpt处,并比较四者的转录 活性,结果US10位点优于外源位点gpt,近似于 Meq。上述研究表明US10可作为以疱疹病毒为活 载体研制基因工程疫苗的外源基因插入位点。 2.6 US10蛋白与宿主蛋白的相互作用 马立克 氏病(Marek’S disease,MD)是一种严重的慢性鸡 淋巴瘤疾病,现有的MD疫苗可抑制淋巴瘤形成, 但无法杜绝病毒的感染和复制 。鸡干细胞抗原2 (stem cell antigen 2,SCA2)是目前广泛推测的MD 的“抵御基因”产物,恰能弥补该方面疫苗开发的空 缺。SCA2是一个大小为13 kDa的细胞膜表面蛋 白,对鸡的B淋巴细胞具有作用 。I iu等发 现SCA2可与MDV的US10蛋白特异性结合口 ; Mao研究发现当U¥10蛋白存在时,过量表达的 SCA2可降低MDV的噬斑大小及其体外感染成纤 维细胞的比例_2 。 2.7 US10蛋白对其它病毒蛋白的影响 VzV的 ORF64和ORF69为HSV一1 U¥10的同源基因。 ORF64位于内部重复区,ORF69位于末端重复区, 两者转录方向相反。ORF64和ORF69基因对 VZV的复制是非必需的,当双缺失ORF64/69基因 时,感染细胞出现了广泛的融合现象,大量的多核细 胞形成,胞内核总数超过5O个,且gE的表达量远 高于亲本株、△ORF64或△ORF69单缺失株,说明 ORF64/69的缺失令gE基因表达量大幅上升,促使 了广泛的细胞融合,即ORF64/69蛋白对gE基因 表达具有作用_3 ,因为gE可参与gB介导的细 张代熙等:疱疹病毒US10基因及其编码蛋白研究进展 胞融合 。 65 glycoprotein US10 selectively targets HLA—G for degradation I-j].J Exper Med,2010,207(9):2033 2041. 3展 望 [1 1]Thureen DR,Keeler CL.Psittacid herpesvirus l and infectious 1aryngotracheiti8 virus: comparative genome sequence analysis 除l3一疱疹病毒的U¥10基因被证实具有“免疫 逃逸”功能外,其他US10基因的功能仍不清楚。多 种疱疹病毒的US10蛋白c端具有13个氨基酸残 基构成的C HC型锌指保守域(C—X3一C—X3一H—X3一 of two avian alphaherpesviruses[J].J Virol,2006,80(16): 7863—7872. 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