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Nat Commun:蛋白组学“大案牍术”揭示阻止禽流感病毒向人类传播的决定因素

发布时间: 2020-01-03
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近年来,SARS、口蹄疫、疯牛病、狗流感、与猴天花等,这些新出现的各种感染性疾病频频突袭人类,已经给人类造成了灾难性危害。通常情况下在动物间传播的病毒很难在人与人之间传播。但是,一旦与之相关的病毒在适应人类后,实现了有效的复制和扩增,就会造成人群间大流行。

甲型流感是典型的“人畜共患病”,具有很高的发病率和死亡率。甲型流感病毒(IAV)是一种带有分段基因组的负义单链RNA病毒,可以感染哺乳动物和鸟类。但是,在鸟类中复制的毒株通常不会感染哺乳动物,当具有新抗原性的禽源流感病毒株获得在人之间传播的能力时,就会引发严重的疫情。因此,了解宿主特异性的分子基础具有重要的医学意义。

Nat Commun:蛋白组学“大案牍术”揭示阻止禽流感病毒向人类传播的决定因素

1918年开始流行的西班牙流感造成了约5%的人类死亡。图片来源:维基百科

近日,德国马克斯·德尔布吕克分子医学中心Matthias Selbach教授在国际专业学术期刊Nature Communications上发文,使用代谢脉冲标记和定量质谱技术比较人类适应的 IAV病毒株和鸟类适应的 IAV病毒株侵染人细胞后的蛋白质组动力学。研究者发现宿主蛋白的行为非常相似,但是病毒蛋白的产生却有很大差异,尤其是对于基质蛋白M1,M节段中一段保守的顺式调控元件是流感病毒侵染宿主的决定因素。

Nat Commun:蛋白组学“大案牍术”揭示阻止禽流感病毒向人类传播的决定因素

文章精读

1. IAV感染的动态蛋白质组分析

为了评估IAV的物种特异性的决定因素,研究者使用模型系统,比较了低致病性禽类H3N2 IAV(A / Mallard / 439 / 2004-Mal)与同一亚型的季节性人类IAV分离株(A / Panama / 2007 / 1999-Pan)感染后蛋白质合成的动力学,并利用AHA标记和SILAC标记开展了蛋白质组范围内的比较性脉冲标记实验。另外,研究者还检测了病毒和宿主蛋白的iBAQ值,研究发现病毒蛋白被有效地诱导,而宿主蛋白的产生随着时间的推移而下降。

Nat Commun:蛋白组学“大案牍术”揭示阻止禽流感病毒向人类传播的决定因素

Figure 1定量蛋白质从头合成的蛋白质组策略

2. 宿主蛋白组动态分析

为了研究宿主蛋白在整个感染过程中的概况,研究者比较了感染组和未感染组的SILAC ratio值。绝大多数宿主蛋白的合成随着时间的推移明显减少,而某些蛋白的下降趋势不明显,甚至会有小幅上调。为了进一步观察和评估,研究者在不同脉冲周期选择影响最小的蛋白进行GO分析。许多已知的干扰素诱导的抗病毒防御蛋白在感染后期相对高表达,固醇代谢和线粒体蛋白在感染早期和中期也有大量富集。

Nat Commun:蛋白组学“大案牍术”揭示阻止禽流感病毒向人类传播的决定因素

Figure 2. IAV感染细胞的动态蛋白质组

3. 顺式调控元件控制M基段RNA剪接

M1介导病毒基因组跨核膜的输出,是病毒感染的重要步骤。之前的结果表明,M1蛋白是病毒体中丰度最高的蛋白,在两种菌株之间显示出最大的差异,且两毒株中M1蛋白约有96%的氨基酸同源性。在感染后期,M1的积累是在感染细胞的细胞质中出现病毒核糖核蛋白(vRNPs)所必需的。

基于此,研究者将注意力集中在M1蛋白质上。M1蛋白由共线转录本产生,可以将其剪接成三个附加的isoform(M2 mRNA, RNA3和M4 mRNA),且它们都使用共同的3'剪接位点。 M1 mRNA剪接的差异可能是由于(i)调控因子(即在M基段编码的特定信号),(ii)反作用因子(即与M1 mRNA相互作用的其他病毒或宿主因子)或 (iii)两者结合。为了评估顺式调控元件是否涉及M极端RNA剪接,研究者设计了一个拼接报告系统(splicing reporter system)。当转染人类A549细胞时,研究者发现含有Mal M序列的构建体产生了高水平的M2,但是当Pan M序列转染时几乎无法检测到。因此,研究者得出结论,M节段的顺式调控元件会导致禽类变体的过度剪接。

Nat Commun:蛋白组学“大案牍术”揭示阻止禽流感病毒向人类传播的决定因素

Figure 3顺式调控元件调控M节段拼接

综上所述,研究者结合了代谢脉冲标记和定量蛋白质组学,比较人类细胞IAV病毒株和禽类IAV病毒株感染人细胞后的蛋白质合成,并观察病毒蛋白质合成的显著差异。结果表明,禽适应株的M1产量降低是由于M节段RNA与其他同种型的剪接增加所致。菌株特异性M节段剪接受3'剪接位点控制,其在功能上感染很重要。在in silico和生物化学方面的证据表明,与人类适应的序列相比,禽类适应病毒株的M区段进化出了不同的保守RNA结构特征。因此,M基段RNA剪接可以作为病毒侵染宿主范围的决定因素。

参考文献

Benqiang Gong et al., 2019, Cross-microbial protection via priming a conserved immune co-receptor through juxtamembrane phosphorylation in plants, Cell Host & Microbe.

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