肾综合征出血热
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第四节 汉坦病毒的蛋白及其特性

汉坦病毒的蛋白包括RNA聚合酶以及三种结构蛋白,即NP、G1和G2(图2-3)。NP位于病毒颗粒的核心,G1和G2位于病毒的包膜上。HTNV和SEOV等旧世界汉坦病毒与布尼亚病毒科某些属的病毒一样,没有非结构蛋白;而新世界汉坦病毒及PUUV等却有一个进化上保守的非结构蛋白的开放读码框,该开放读码框与布尼亚病毒属一样是重叠读框的形式。有报道认为,在PUUV感染细胞中该开放读框的表达可以影响病毒对干扰素的反应。
图2-3 在Vero-E6细胞中培养的汉坦病毒(R22株)经纯化、裂解后,在12. 5%聚丙烯酰胺凝胶中电泳
一、RNA聚合酶
通过已测定的汉坦病毒的L片段核酸序列可推导出汉坦病毒的RNA聚合酶的大小约为250kD,与布尼亚病毒科的其他病毒RNA聚合酶的大小(259kD)相当,也与美国学者Elliott从汉坦病毒感染的细胞中检测到的大蛋白的分子量相等。该蛋白质中含有双天门冬氨基酸残基(double aspartic acid residues,DD),这种结构在其他病毒的RNA聚合酶中也可见到,在已知的几型汉坦病毒的RNA聚合酶中都存在该基序(motif)。
由于RNA聚合酶的分子量很大,很难在细菌中表达,故目前很少有对汉坦病毒RNA聚合酶的生物学活性进行详细研究的报道。RNA聚合酶既可以介导病毒基因组的转录也可以介导其复制。在转录过程中,RNA聚合酶以负链vRNA为模板合成病毒mRNA;在翻译过程中,RNA聚合酶通过中间体cRNA复制合成vRNA。此外,作为布尼亚科病毒科的病毒,汉坦病毒的L、M和S片段mRNA都有5’端非模板核酸序列,这些寡核苷酸来自宿主细胞,可能是通过汉坦病毒RNA聚合酶的核酸内切酶活性,从宿主细胞RNA上切割而来。在汉坦病毒基因组RNA的复制过程中,RNA聚合酶也可能通过其核酸内切酶活性去除转录起始产生的多余碱基。故RNA聚合酶有多种生物活性,包括内切酶、复制酶、转录酶及RNA解旋酶活性。新近有研究报道认为,RNA聚合酶需要NP参与才能行使其功能。
汉坦病毒RNA聚合酶比其他结构蛋白更具保守性,HTNV的RNA聚合酶与SEOV和PUUV的RNA聚合酶的同源性分别为85%和70%。与NP不同的是,保守序列在整个RNA聚合酶上是散在分布的,没有型特异的区域。虽然与其他布尼亚科病毒RNA聚合酶的同源性小于20%,但是在汉坦病毒RNA聚合酶的中央有保守区域。用去垢剂裂解纯化病毒颗粒,测定汉坦病毒RNA聚合酶的活性,发现汉坦病毒的RNA聚合酶的活性依赖于镁离子,镁离子、2- ME及NaCl等均可以提高该酶的活性。
二、糖蛋白G1和G2
汉坦病毒包膜糖蛋白G1和G2的结构和功能是各国学者最为关注的研究课题,因为从病毒本身来说,包膜糖蛋白的结构与功能对病毒的生物学特性起决定作用。G1和G2的N末端序列为典型信号序列,并都具有推导的C末端锚序列,说明G1和G2为Ⅰ型跨膜蛋白。Schmaljohn等在测定HTNV M片段的核苷酸序列的基础上推导出其G1和G2未糖基化的前体大蛋白的分子量为126kD,除去信号肽及G1和G2之间的小肽(6kD),推导出未糖基化的G1和G2的分子量分别为64kD和54kD;进一步利用内源性糖苷酶H和F降解G1和G2的糖苷后发现G1和G2的分子量分别减少了7kD和3kD,将G1和G2的氨基酸和糖基的分子量相加,得出HTNV的G1和G2的分子量分别为71kD和57kD,这一结果与Elliott等用放射免疫沉淀技术(RIP)测得的HTNV的G1和G2的分子量(分别为72kD和57kD)非常接近。
不同型别的汉坦病毒G1和G2中都富含半胱氨酸,这说明半胱氨酸分子之间形成的二硫键对G1和G2的空间构象起很大作用。且半胱氨酸的位置在G1和G2上均高度保守,HTNV 76- 118株的G1有30个半胱氨酸,其中27个在其他各型病毒中是保守的,G2上有27个半胱氨酸,26个是保守的,这提示所有汉坦病毒包膜糖蛋白有着相似的结构。G1、G2上的糖基以N- link的方式与蛋白质结合,并存在一些保守的糖基化位点。Schmaljohn等分析发现G1上有5个天门冬酰胺连接的糖基化位点,而G2上只有2个,其中G1的3个和G2 的1个糖基化位点非常保守。
汉坦病毒糖蛋白G1和G2均存在着中和抗原位点和血凝位点。美国和日本学者采用单克隆抗体(McAb)对多株汉坦病毒的抗原性和结构蛋白所做的分析表明,在汉坦病毒包膜糖蛋白上至少存在9个中和抗原位点,其中2个在G1上,7个在G2上,而具有血凝活性的抗原位点则主要位于G2上,并且与中和抗原位点是分离的,但也可部分重叠或靠近。中和抗原位点对细胞融合有重要作用。国内第四军医大学和中国CDC病毒病预防控制所分别对汉坦病毒结构蛋白进行研究也发现,在HTNV包膜糖蛋白上不仅有独立的中和抗原和血凝抗原位点,而且也有双重功能的抗原位点。汉坦病毒糖蛋白的抗原位点与蛋白质的空间结构有关,抗G1和G2的McAb基本不能与经SDS- PAGE变性的G1和G2蛋白反应,只有部分汉坦病毒感染的动物血清和HFRS患者的血清能与变性的G2发生微弱反应,但也基本不能与G1发生反应。
对于糖蛋白抗原位点基因定位的研究目前还比较少。Wang等采用多株具有中和活性的McAb与汉坦病毒共同培养,测定McAb逃避株病毒M片段基因的核酸序列,确定了其中5株McAb所针对的抗原位点在M片段的位置。
汉坦病毒糖蛋白G1和G2均可刺激机体产生特异性抗体,主要是中和抗体,对感染动物或HFRS患者有保护作用。但其刺激产生抗体的能力却相对较弱,抗体出现较晚,滴度较低,同时消失也较缓慢,其原因可能是汉坦病毒感染动物或人体后产生的糖蛋白较NP少,NP所诱导的强烈免疫应答相对掩蔽了机体对糖蛋白的免疫应答,而并非糖蛋白本身的免疫原性弱,因为Arikawa等研究发现,用McAb沉淀的糖蛋白免疫小鼠,可制备出大量的具有高亲和力的抗G1和G2的McAb,而用活病毒免疫小鼠则只能筛选出很少量的抗G1和G2的McAb。当然这与筛选方法是否合适也有一定关系。
汉坦病毒糖蛋白除可诱导动物产生中和抗体外,还可以使动物产生保护性细胞免疫。近年有研究表明,汉坦病毒糖蛋白上还含有CTL表位,提示糖蛋白不仅在体液免疫中发挥重要作用,还可直接诱导细胞毒作用,促进细胞内病毒的清除。因此其在细胞介导的保护性免疫中也起着重要作用。
三、核衣壳蛋白
汉坦病毒NP是一种非糖基化蛋白质,其主要功能是包裹病毒RNA的三个片段,构成病毒的核心部分。其分子量约在48~50kD之间,通过对多株汉坦病毒的NP进行放射免疫沉淀分析,发现同一型别的不同病毒株的NP的大小也有一定的差别。NP在汉坦病毒的装配过程中起着重要作用,该蛋白的羧基端的高度保守序列可识别病毒的RNA非编码区基因并与之相结合形成复合体,从而与RNA聚合酶一起组成病毒颗粒的核心。在汉坦病毒感染的细胞内有大量的由NP组成的多种形式的包涵体,即汉坦病毒感染的细胞内有NP的过量表达。有些学者认为这些过量表达的NP对宿主细胞可能会产生一定的毒性;但也有学者认为,虽然此时细胞内积聚大量NP,但感染细胞短期内却没有明显的细胞病变,表明其对细胞的毒性并不大。NP在汉坦病毒对人体致病中的作用尚不完全清楚,一般认为其对汉坦病毒的毒力影响较小,但因为该蛋白可诱导强烈的体液和细胞免疫应答,因此它在引起免疫损伤中可能起一定作用。
汉坦病毒NP总的同源性约为50%,但其不同区域的同源性程度不同。如羧基端的同源性高达85%,而有的区域只有11%。计算机分析发现,在所有汉坦病毒NP的羧基端均有一高度保守的抗原区域,因此不同型别病毒之间可产生交叉免疫反应。就NP的氨基端来说,HTNV和SEOV有82%的同源性,PUUV和SNV有83%的同源性。在酶免疫试验(EIA)中已有采用昆虫细胞表达的HTNV和SEOV的NP做诊断抗原,但是这两种抗原不能区分HTNV和SEOV的抗血清;用大肠埃希菌表达的HTNV、SEOV和PUUV的NP做诊断抗原,可以将PUUV与HTNV和SEOV的抗血清区分开来,但仍不能区分HTNV和SEOV的抗血清;大肠埃希菌表达的SNV的NP可以与该病毒及PUUV抗血清反应,但与HTNV抗血清反应较弱。将分别编码HTNV、SEOV和PUUV的NP1~83、233~304位氨基酸的序列连接后在大肠埃希菌中表达,得到的抗原可用于EIA,并可以从滴度上来区分上述三型病毒相应的抗血清。
研究发现汉坦病毒NP上含有属特异性、型特异性、组特异性和病毒株特异性抗原位点。徐志凯等采用10株McAb分析了国内从不同疫区的宿主动物和HFRS患者体内分离出的三十余株汉坦病毒的抗原性,结果表明这些McAb所针对的抗原位点既有组特异性的,也有型特异性的;进一步对纯化的天然HTNV NP做抗原位点分析时发现,该NP上至少有12个抗原位点,其中7个组特异性抗原位点和1个亚组特异性抗原位点至少分布在2个区域内,其他抗原位点则可能重叠于上述两个区域内,这些抗原位点的重叠有些表现在一级结构上,有些则表现在空间结构上。梁米芳等利用29株抗汉坦病毒NP的McAb研究也发现,NP上的抗原位点主要决定于该蛋白的一级结构,即这些抗原位点多为顺序位点(sequential epitope),也称为线性位点(linear epitope),因为这些McAb既能识别变性前的NP又能识别经SDS- PAGE变性后的NP。Yoshimatsu等采用10株McAb通过竞争结合试验对HTNV重组NP做抗原位点分析,发现在该蛋白上至少存在7个抗原位点,这些抗原位点主要分布于3个相互重叠的区域;通过重组表达不同长度的S片段产物,并根据表达产物与不同McAb的反应性,可将NP分为三区,Ⅰ区位于NP的aa1~103位,Ⅱ区位于aa104~204位,Ⅲ区位于aa205~402位。Jenison等和Yamada等在研究中则发现SNV NP氨基端aa17~59多肽可刺激机体产生针对NP的强烈的免疫应答,推测其可能为NP上具有决定性意义的抗原位点。Lundkvist等用截短的重组PUUV NP及其重叠的肽段研究其B细胞表位,发现被McAb识别的7个表位中的6个位于NP的氨基端(aa1~79),而多克隆抗体则识别NP上的所有表位,通过不同NP片段的抗体终点滴度检测,证明PUUV的NP氨基端是其主要的抗原靶位;通过合成该病毒NP10肽连续重叠片段(每一段间有5个氨基酸重叠),用肽扫描(peptide scanning,PEPSCAN)方法检查合成的86个肽段与不同HFRS患者的血清以及不同McAb的反应性,结果也筛选到NP上的相应抗体识别表位。
在汉坦病毒NP上是否存在中和抗原位点的问题,国内外学者尚有争议。美国和日本学者先后采用McAb对多株汉坦病毒的抗原性和结构蛋白进行分析,结果在NP上未发现中和抗原或血凝抗原位点;Schmaljohn、Yoshimatsu和石晓宏等用重组杆状病毒和痘苗病毒表达的NP免疫动物,动物的血清也无中和活性。我国徐志凯等曾采用McAb亲和色谱技术纯化了HTNV的NP,并采用多株McAb和多种方法对其抗原位点进行了分析,结果发现在HTNV 的NP上可能存在中和抗原位点;对该NP免疫学特性进行研究的结果表明,其刺激产生的抗体不仅可以中和细胞培养中的病毒,而且对HTNV感染的裸鼠也有一定的保护作用;梁米芳等在研究中也发现一株抗NP的McAb具有中和活性和血凝抑制活性,这也支持NP可能存在有极少数中和和血凝抗原位点的观点。继而,尹文、薛小平等对HTNV 76- 118株的S片段进行了全片段和分片段的表达,并用不同特性的McAb对表达产物进行抗原位点分析,结果表明重组表达的NP的McAb反应谱与天然NP完全相同,并确认其上至少存在着2个中和抗原位点,其中1个位于该蛋白的氨基端。
汉坦病毒的NP具有很强的免疫原性,用汉坦病毒感染小鼠制备McAb时得到的大部分是NP特异性的;HFRS患者体内抗NP的抗体出现最早,并且滴度高,维持时间长;用重组表达的NP免疫动物也能得到相同的结果。
汉坦病毒NP在刺激机体产生特异性的细胞免疫应答中也有重要作用。Yoshimatsu等用杆状病毒系统重组表达的HTNV NP免疫小鼠,并将免疫鼠脾细胞的T细胞富集成分转移给小白鼠乳鼠,结果一只乳鼠完全抵抗了致死性的HTNV感染。Van等发现HTNV感染志愿者的外周血单个核细胞(PBMC)都有针对病毒NP或G1糖蛋白的特异性反应,提示HTNV感染可刺激机体产生针对NP的CTL反应,并可产生与其他汉坦病毒NP相关的交叉反应性T细胞反应。Lee等应用表位预测和合成肽技术鉴定了7名HLA- A2. 1的HFRS恢复后患者的HTNV NP的CTL表位为九肽(334~342aa)。Maeda等报道将SNV的NP免疫小鼠,利用CTL杀伤实验和ELISPOT实验证实有四个表位可被CD8 +T细胞所识别,且这些表位均与PUUV有交叉反应,其中一个表位还与HTNV有交叉反应。Woo等亦证实HTNV NP的两个表位均能诱发CTL反应。