病毒如何感染细胞?Cell典藏版详述:Virus Entry!

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本文转自生命科学前沿,作者病毒学。点击阅读原文

20208月6日,Cell推出重磅级解析“SnapShot: Enveloped Virus Entry,详细阐述病毒是如何进入细胞进行复制,进而感染人类引起疾病的。来自英国伯明翰大学、加拿大多伦多大学、美国加州拉荷亚免疫学研究所和加拿大安大略儿童医院的科研人员以包膜(或囊膜)病毒为例,深度剖析病毒入侵过程

 

众所周知,为了成功启动感染程序,病毒必须将其基因组从一种宿主细胞或生物体传播或传递到另一种宿主细胞或生物体内。为此,包膜病毒必须首先将其膜与靶宿主的细胞膜融合。在此过程中,研究人员依照代表性病毒发生入侵行为的细节顺序重点介绍它们为进入宿主细胞胞质而使用的策略(尽管它们有许多不同之处,并且融合的位置各不相同,但包膜病毒进入和膜融合步骤的共同原理在很大程度是一致且保守的)。

Virus Binding 

病毒吸附/粘附/结合

病毒受体可分为两大类:粘附/附着因子(attachment factors)和入侵/进入受体(entry receptors)。粘附因子会将病毒聚集在细胞表面,而入侵受体则是启动内吞作用(endocytosis)的真正信号蛋白

 

硫酸软骨素和乙酰肝素蛋白聚糖(分别为CSPG和HSPG)是带负电荷的多糖,可作为大多数包膜病毒的典型附着因子。通过低亲和力高活性的相互作用,这些聚糖促进了病毒结合以及随后与入侵受体的结合。入侵受体必须满足几个条件:它们必须与病毒接触,激活触发内吞作用的信号级联,并且对于病毒内化(internalization)至关重要(essential)。(补充:内吞(endocytosis)是指细胞外物质通过膜内陷和内化进入细胞的过程。内吞被认为是细胞对微粒作用的主要机制,所有真核细胞都具有内吞功能。)大多数病毒使用多重入侵受体,这些受体可以起到促进病毒蛋白质结构改变的作用,从而使共受体结合,将感染扩展到不同的细胞类型或宿主,或者同时下调宿主的免疫反应。

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Internalization

内化

 

虽然一些包膜病毒能够在细胞表面与细胞膜融合,但大多数通过内吞作用进入细胞。内吞进入为病毒提供了许多优势。首先,在内体(endosome,内涵体/内含体,有膜包裹的囊泡结构,呈酸性,不含溶酶体酶等)中,病毒无需编码辅助蛋白以通过皮质肌动蛋白或基于微管的转运。其次,细胞表面没有留下感染的迹象,从而降低了免疫反应。第三,对于使用组成型内吞程序的病毒,无需主动触发摄取。第四,内体为病毒引发和融合提供了线索。另外,细胞具有多种内吞途径。就像试图进入的病毒一样,这些途径的大小和形状也有所不同(从100 nm网格蛋白包被的凹坑到10μm巨人瘤),从而允许小(流感,100 nm)和大(牛痘,370 nm)的病毒单独或多次感染的内吞作用。最后,每种途径都可以由不同的受体–由关键细胞因子(肌动蛋白,动力蛋白,胆固醇等)触发,以从质膜形成,封闭和分裂(或分离)初级内吞性液泡
 
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Trafficking 转运

 

不管摄取机制如何,内化的病毒都会被传递到内体系统中。内体途径由几种内体组成:早期内体(EEs),晚期内体(LEs),循环内体(REs)和溶酶体(LYs)。这些细胞器的特征在于其Rab GTPase和磷酸肌醇成分,这些成分可协调内体的成熟,以准备将传入的货物递送至LYs进行降解。成熟涉及基于微管的向细胞中心的移动,Rab [Rab5(EE)→Rab7(LE)]和磷酸肌醇[PI(3)P(EE)→PI(3,5)P2(LE)]组成的转换 ,pH下降[6.5(EE)→4.0(LYs)],并激活内体蛋白酶。包膜病毒利用内体成熟来促进其周围运动,衣壳/核心引发以及融合蛋白的质子和/或蛋白酶依赖性活化。
 

Exposure of Fusogenic Peptides融合肽的暴露

 

大多数包膜病毒都需要对其病毒融合蛋白(fusogen)进行酶处理。这在出芽(budding)前发生在宿主细胞的高尔基体中(例如通过半胱氨酸蛋白酶弗林蛋白酶),并可能需要在质膜上/细胞外进一步消化(例如通过丝氨酸蛋白酶TMPRSS2),或者在内吞途径中通过蛋白酶和/或弗林蛋白酶。组织蛋白酶和弗林蛋白酶在酸性pH值下具有最佳功能,因此需要V-ATPase的活性。此外,许多病毒融合会经历依赖于质子结合/低pH的构象变化埃博拉病毒的糖蛋白(GP)三聚体是一种典型的融合蛋白,由受体结合单元和融合亚基组成。这两个亚基来自病毒装配前弗林蛋白酶介导的前体多肽的切割,并通过二硫键和非共价相互作用保持关联。GP的融合亚基仅在组织蛋白酶切割两个亚基后才释放。通过暴露其融合肽,病毒融合可以插入允许的宿主内膜。
 
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Insertion 嵌入/插入

 

通过将病毒融合肽插入宿主膜的内部小叶,引发膜融合,然后对病毒融合蛋白进行构象变化。肽的插入可以是Ca2+依赖性的,可以被胆固醇增强,并且可能与糖蛋白被膜的置换相吻合(例如,溶酶体相关的膜糖蛋白[LAMPs])。
 
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Membrane Fusion and Genome Release膜融合与基因组释放

 

肽的插入导致双层之间的接触,称为延伸的中间产物(extended intermediate),但病毒膜和宿主膜之间仍然存在间隙,并且存在融合的高能屏障。为降低此屏障插入的肽增加了宿主膜的排列秩序病毒融合蛋白的大规模结构重排导致延伸的中间体塌陷,从而降低了对置膜的水合排斥力。融合还需要从溶酶体中挤出渗透物以减轻静水压力,该压力部分由脂质门控阳离子通道介导。病毒融合素的普遍特征是它们的两个膜相关元件(融合肽或环和跨膜锚)聚集在一起以促进融合孔的形成,病毒基因组通过融合孔释放到细胞质中。

 
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参考文献:

Mercer, J., Schelhaas, M., and Helenius, A. (2010). Virus entry by endocytosis. Annu. Rev. Biochem. 79, 803–833.

DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2020.06.033。

 

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