三种人类高致病性冠状病毒的增殖和传播机制研究进展
发布时间：2021-11-08 00:41
严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）、中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）和严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）是目前已知的三种人类高致病性冠状病毒,由非结构蛋白、结构蛋白、附属蛋白和核糖核酸组成。病毒粒子通过冠状病毒的刺突糖蛋白（S蛋白）识别宿主受体,以膜融合方式进入宿主细胞,通过大型复制转录复合体在宿主细胞内复制,并通过干扰和抑制宿主的免疫应答来促进增殖。人类高致病性冠状病毒的宿主是人和脊椎动物,病毒粒子通过飞沫、接触、气溶胶等途径感染肺部细胞,也可能通过消化道、尿液、眼部等其他途径传播。本文基于现有研究结果讨论人类高致病性冠状病毒的增殖和传播机制,以期为阻断其传播和致病提供依据。
【文章来源】：浙江大学学报(医学版). 2020,49(03)北大核心CSCD
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
S蛋白介导下的膜融合
病毒通过在宿主体内复制和转录以达到自我增殖的目的,该过程需要巨大的复制转录复合体。人类高致病性冠状病毒的复制转录复合体由16个成熟的非结构蛋白(non-structure protein, NSP)组装而成。以SARS-CoV-2为例,其非结构蛋白功能如下:NSP1是前导蛋白;NSP2目前不详,在其他冠状病毒中可与宿主细胞相互作用,抑制早期宿主免疫反应;NSP3据预测有磷酸酯酶和木瓜样蛋白酶活性,在其他冠状病毒中参与形成复制转录复合体支架蛋白;NSP4和NSP6均含跨膜区,在其他冠状病毒中可将复制转录复合体锚定在质膜上;NSP5具有3C样蛋白酶活性,介导NSP4下游的剪切,对三维结构起决定性作用;NSP7目前不详,在其他冠状病毒中可能与病毒复制的调节、转运和病毒粒子的组装有关;NSP8目前不详,在其他冠状病毒中可延伸带有引物的RNA模板;NSP9是单链RNA结合蛋白,有稳定新生核酸的作用;NSP10调节转录,是生长因子样蛋白;NSP11目前不详;NSP12有RNA依赖性RNA聚合酶活性;NSP13是锌结合结构域,有核苷水解酶/解旋酶活性和RNA5′三磷酸酶活性;NSP14有3′→5′核糖核酸外切酶活性,参与RNA帽子的形成;NSP15具有尿苷酸特异性核酸内切酶活性;NSP16具有2′-O-甲基转移酶活性,介导腺苷甲硫氨酸的甲基转移到第一个转录的核苷酸上,也参与RNA帽子的形成[29]。四种结构蛋白在病毒复制周期中有不同的功能。S蛋白位于病毒表面,以三聚体的形态存在,每个单体分为胞外区、跨膜区和胞内区。S蛋白由S1和S2两个亚基构成。S1亚基位于S蛋白的氨基端,属于胞外区,包含受体结合结构域,可特异性识别宿主受体并与之结合[30]。S2亚基位于S蛋白的羧基端,包括胞外区、跨膜区和胞内区。S2亚基的胞外部分包含融合肽段和两个疏水螺旋七肽重复区(heptad repeat, HR)HR1和HR2,其主要功能是介导病毒与宿主的膜融合。E蛋白是最小的结构蛋白,也是最神秘的,由76～109个氨基酸组成。在病毒复制周期中,虽然E蛋白在宿主细胞中被大量表达,但只有一小部分可作为病毒包膜的组成成分[31]。E蛋白主要定位于内质网、高尔基体和内质网-高尔基体中间体,参与病毒组装、出芽和细胞内转运[32]。E蛋白不仅具有从宿主细胞释放病毒粒子的功能,还具有离子通道活性[33]。M蛋白是病毒结构中最重要的蛋白之一,被认为是冠状病毒组装的中心组织者,可以与其他结构蛋白相互作用,即M-M、M-S、M-N、M-E蛋白之间相互作用[34],如M蛋白与E蛋白共同协调病毒的组装以及参与成熟病毒包膜的形成[35]。N蛋白的作用是与病毒RNA紧密结合,这是病毒RNA包装到病毒粒子中的前提条件,从而保护病毒基因组[36]。
吸附是指病毒附着于敏感细胞的表面,这是感染的起始期,也是关键步骤之一。病毒与宿主受体结合的效率是冠状病毒传播速度的决定性因素之一。细胞与病毒的相互作用始于偶然碰撞和静电作用造成的可逆联结,随后冠状病毒通过表面的S蛋白与细胞表面特异性的蛋白受体结合,并吸附在宿主细胞上。不同的人类高致病性冠状病毒能特异性识别不同的宿主受体。MERS-CoV的受体是二肽基肽酶(dipeptidyl peptidase 4, DPP4)[37]。MERS-CoV S蛋白的受体结合结构域与宿主细胞表面的DPP4受体结合,介导MERS-CoV吸附在宿主细胞表面。SARS-CoV和SARS-CoV-2的受体结合位点相似度较高,两者的受体都是血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme 2, ACE2)[38-39]。SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2都利用S蛋白的羧基端结构域来识别受体[40-42]。对于正在全球蔓延的SARS-CoV-2病毒,研究者们已解析了其S1亚基与ACE2受体的结合位点、S1与ACE2蛋白复合物的晶体结构及其受体ACE2的全长结构[43-44]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]冠状病毒的致炎机制研究进展及疫苗研发特点[J]. 吕鹏,李登峰,刘刚. 厦门大学学报(自然科学版). 2020(03)
[2]新型冠状病毒肺炎确诊病例粪便标本的病毒核酸检测[J]. 吴冰珊,俞婷婷,黄枝妙,陈宏彬,陈炜,张炎华,游丽斌,朱颖,吴晶晶,鄢育青,翁育伟. 中国人兽共患病学报. 2020(05)
[3]新型冠状病毒引起的细胞因子风暴及其药物治疗[J]. 张竞文,胡欣,金鹏飞. 中国药学杂志. 2020(05)
[4]新型冠状病毒感染的特征及应对[J]. 王凌航. 中华实验和临床感染病杂志(电子版). 2020(01)
[5]冠状病毒S蛋白及其受体的结构和功能[J]. 沈媚,陈冰清,于瑞嵩,朱于敏,李震. 微生物学通报. 2017(10)
[6]冠状病毒非结构蛋白的研究进展[J]. 边葶苈,周继勇,廖敏. 中国动物传染病学报. 2013(04)
[7]医务人员SARS医院感染爆发的传播链分析[J]. 陈庆瑜,甘小玲,伍卫,刘品明,陈秀英,张向葵,邓雪莲,张丽崧. 中国全科医学. 2004(05)
[8]SARS病毒在外界环境物品中生存和抵抗能力的研究[J]. 李敬云,鲍作义,刘思扬,庄道民,刘永健,张文福,蒋莉. 中国消毒学杂志. 2003(02)
博士论文
[1]冠状病毒复制酶系结构与功能研究[D]. 赵琪.清华大学 2010
[2]SARS冠状病毒N蛋白抑制beta干扰素产生的分子机制研究[D]. 鲁小璐.武汉大学 2010
本文编号：3482653
【文章来源】：浙江大学学报(医学版). 2020,49(03)北大核心CSCD
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
S蛋白介导下的膜融合
病毒通过在宿主体内复制和转录以达到自我增殖的目的,该过程需要巨大的复制转录复合体。人类高致病性冠状病毒的复制转录复合体由16个成熟的非结构蛋白(non-structure protein, NSP)组装而成。以SARS-CoV-2为例,其非结构蛋白功能如下:NSP1是前导蛋白;NSP2目前不详,在其他冠状病毒中可与宿主细胞相互作用,抑制早期宿主免疫反应;NSP3据预测有磷酸酯酶和木瓜样蛋白酶活性,在其他冠状病毒中参与形成复制转录复合体支架蛋白;NSP4和NSP6均含跨膜区,在其他冠状病毒中可将复制转录复合体锚定在质膜上;NSP5具有3C样蛋白酶活性,介导NSP4下游的剪切,对三维结构起决定性作用;NSP7目前不详,在其他冠状病毒中可能与病毒复制的调节、转运和病毒粒子的组装有关;NSP8目前不详,在其他冠状病毒中可延伸带有引物的RNA模板;NSP9是单链RNA结合蛋白,有稳定新生核酸的作用;NSP10调节转录,是生长因子样蛋白;NSP11目前不详;NSP12有RNA依赖性RNA聚合酶活性;NSP13是锌结合结构域,有核苷水解酶/解旋酶活性和RNA5′三磷酸酶活性;NSP14有3′→5′核糖核酸外切酶活性,参与RNA帽子的形成;NSP15具有尿苷酸特异性核酸内切酶活性;NSP16具有2′-O-甲基转移酶活性,介导腺苷甲硫氨酸的甲基转移到第一个转录的核苷酸上,也参与RNA帽子的形成[29]。四种结构蛋白在病毒复制周期中有不同的功能。S蛋白位于病毒表面,以三聚体的形态存在,每个单体分为胞外区、跨膜区和胞内区。S蛋白由S1和S2两个亚基构成。S1亚基位于S蛋白的氨基端,属于胞外区,包含受体结合结构域,可特异性识别宿主受体并与之结合[30]。S2亚基位于S蛋白的羧基端,包括胞外区、跨膜区和胞内区。S2亚基的胞外部分包含融合肽段和两个疏水螺旋七肽重复区(heptad repeat, HR)HR1和HR2,其主要功能是介导病毒与宿主的膜融合。E蛋白是最小的结构蛋白,也是最神秘的,由76～109个氨基酸组成。在病毒复制周期中,虽然E蛋白在宿主细胞中被大量表达,但只有一小部分可作为病毒包膜的组成成分[31]。E蛋白主要定位于内质网、高尔基体和内质网-高尔基体中间体,参与病毒组装、出芽和细胞内转运[32]。E蛋白不仅具有从宿主细胞释放病毒粒子的功能,还具有离子通道活性[33]。M蛋白是病毒结构中最重要的蛋白之一,被认为是冠状病毒组装的中心组织者,可以与其他结构蛋白相互作用,即M-M、M-S、M-N、M-E蛋白之间相互作用[34],如M蛋白与E蛋白共同协调病毒的组装以及参与成熟病毒包膜的形成[35]。N蛋白的作用是与病毒RNA紧密结合,这是病毒RNA包装到病毒粒子中的前提条件,从而保护病毒基因组[36]。
吸附是指病毒附着于敏感细胞的表面,这是感染的起始期,也是关键步骤之一。病毒与宿主受体结合的效率是冠状病毒传播速度的决定性因素之一。细胞与病毒的相互作用始于偶然碰撞和静电作用造成的可逆联结,随后冠状病毒通过表面的S蛋白与细胞表面特异性的蛋白受体结合,并吸附在宿主细胞上。不同的人类高致病性冠状病毒能特异性识别不同的宿主受体。MERS-CoV的受体是二肽基肽酶(dipeptidyl peptidase 4, DPP4)[37]。MERS-CoV S蛋白的受体结合结构域与宿主细胞表面的DPP4受体结合,介导MERS-CoV吸附在宿主细胞表面。SARS-CoV和SARS-CoV-2的受体结合位点相似度较高,两者的受体都是血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme 2, ACE2)[38-39]。SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2都利用S蛋白的羧基端结构域来识别受体[40-42]。对于正在全球蔓延的SARS-CoV-2病毒,研究者们已解析了其S1亚基与ACE2受体的结合位点、S1与ACE2蛋白复合物的晶体结构及其受体ACE2的全长结构[43-44]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]冠状病毒的致炎机制研究进展及疫苗研发特点[J]. 吕鹏,李登峰,刘刚. 厦门大学学报(自然科学版). 2020(03)
[2]新型冠状病毒肺炎确诊病例粪便标本的病毒核酸检测[J]. 吴冰珊,俞婷婷,黄枝妙,陈宏彬,陈炜,张炎华,游丽斌,朱颖,吴晶晶,鄢育青,翁育伟. 中国人兽共患病学报. 2020(05)
[3]新型冠状病毒引起的细胞因子风暴及其药物治疗[J]. 张竞文,胡欣,金鹏飞. 中国药学杂志. 2020(05)
[4]新型冠状病毒感染的特征及应对[J]. 王凌航. 中华实验和临床感染病杂志(电子版). 2020(01)
[5]冠状病毒S蛋白及其受体的结构和功能[J]. 沈媚,陈冰清,于瑞嵩,朱于敏,李震. 微生物学通报. 2017(10)
[6]冠状病毒非结构蛋白的研究进展[J]. 边葶苈,周继勇,廖敏. 中国动物传染病学报. 2013(04)
[7]医务人员SARS医院感染爆发的传播链分析[J]. 陈庆瑜,甘小玲,伍卫,刘品明,陈秀英,张向葵,邓雪莲,张丽崧. 中国全科医学. 2004(05)
[8]SARS病毒在外界环境物品中生存和抵抗能力的研究[J]. 李敬云,鲍作义,刘思扬,庄道民,刘永健,张文福,蒋莉. 中国消毒学杂志. 2003(02)
博士论文
[1]冠状病毒复制酶系结构与功能研究[D]. 赵琪.清华大学 2010
[2]SARS冠状病毒N蛋白抑制beta干扰素产生的分子机制研究[D]. 鲁小璐.武汉大学 2010
本文编号：3482653
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