抗病毒蛋白Mx抗病毒机制研究进展

陶换,胡善明,孙浩,李家俊,余燕,马金友

（河南科技学院,河南新乡453003）

抗病毒蛋白Mx抗病毒机制研究进展

陶换,胡善明,孙浩,李家俊,余燕,马金友

（河南科技学院,河南新乡453003）

Mx蛋白是由干扰素诱导表达或病毒感染时动物机体产生的一种抗病毒蛋白.Mx蛋白属于GTP酶动态蛋白家族成员之一,具有广谱的抗病毒作用,并广泛存在于动物体内.简要介绍了Mx蛋白的发现和结构以及表达调控,并对不同家族病毒的抗病毒机制进行了综述.

Mx蛋白；干扰素；抗病毒机制

动物受到病毒感染后,机体首先通过先天性免疫保护系统产生干扰素（IFN）来抵抗病毒的感染.IFN具有良好的抗病毒作用,但IFN并不是直接杀伤或抑制病毒,而是通过一系列生化反应,激活细胞核内相关抗病毒基因的表达,即产生多种抗病毒蛋白[1],从而行使抗病毒作用.Mx蛋白就属于干扰素诱导的抗病毒蛋白的其中一种,具有广谱的抗病毒效应.Mx基因几乎存在于所有的脊椎动物中,其主要抵抗RNA病毒,对某些DNA病毒也有抑制作用.不同动物的Mx蛋白具有不同的抗病毒活性,且其亚细胞定位决定其抗病毒特异性.通常,细胞核定位的Mx蛋白能够抑制病毒在细胞核中的复制,如小鼠Mx1蛋白可以产生对流感病毒及托高土病毒（THOV）的抑制作用[2].而细胞质的Mx蛋白抑制病毒在细胞质中的复制,如小鼠Mx2蛋白通过抑制水疱性口炎病毒（VSV）在细胞质中的复制行使抗病毒作用.人类MxA蛋白存在于细胞质且具有广谱的抗病毒活性,对水疱性口炎病毒、流感病毒、麻疹病毒、布尼亚病毒、汉坦病毒等都具有不同程度的抗病毒活性[3-5].鱼类的Mx蛋白也被报道具有抗病毒活性,如大西洋鲑能够编码多种Mx蛋白,不同结构的Mx蛋白均能够抑制三文鱼贫血病毒（ISAV）[6].本文简要介绍了Mx蛋白的发现及其结构,并对Mx蛋白的表达调控及其对不同家族病毒的作用机制进行了综述.

1Mx蛋白的发现与结构

1962年,Lindenmann J发现自交系A2G小鼠能够耐受流感病毒的感染,并通过试验发现这一现象是由其染色体上的一显性基因控制的,最后命名此基因为Mx[7].根据Mx蛋白在细胞内定位的不同,将小鼠Mx蛋白分为Mxl和Mx2两类,也有Mx3蛋白的报导,位于细胞核中的Mx1蛋白及细胞质中的Mx2蛋白均具有抗病毒作用,而Mx3蛋白没有抗病毒作用[8].人的Mx基因位于21号染色体上,可经I型干扰素（IFNa/β）介导诱导表达,根据等电点的不同可将Mx蛋白分为两类,即MxA蛋白和MxB蛋白. MxA蛋白具有广谱的抗病毒作用,而MxB蛋白则无抗病毒活性[9].之后相继在猪、羊、马、牛等哺乳动物当中发现Mx基因[10].随着研究的深入,鸡的Mx基因也被克隆出来[11].这些发现表明Mx蛋白家族广泛存在于生物界.

Mx蛋白属于动力蛋白超家族,其结构包括3个部分：N端GTP酶（GTPase）结构域,中间结构域（MD）,和C端GTP酶效应区（GED）.与经典动力蛋白不同,Mx蛋白缺乏同源结构域（与膜定位有关）和脯氨酸富含域（与蛋白之间相互作用有关）.

GTPase结构域是Mx蛋白和其他动力蛋白家族成员结构中最保守的部分,在Mx蛋白中,此结构域包含一个三联体GTP结合区域（GDXXSGKS、DLPG和TKPD）和一个动力蛋白信号（LPRXXGXXTR）.前两个GTP结合序列与动力蛋白信号侧面相连,行使结合GTP磷酸盐部位功能,第三个GTP结合序列对结合鸟苷至关重要[12].动力蛋白信号区域包含的残基具有协调Mg2+功能和维持GTPase的活性.第一个GTP结合区域具有种属差异性,而第二和第三GTP结合区域高度保守.这种高度保守很可能是因为Mx蛋白的生物活性需要完整的GTP结构域.动力蛋白信号不是完全保守的,但几乎所有动物的Mx蛋白（除火鸡外）氨基酸序列倒数第二位为苏氨酸残基,这与协调Mg2+有关[13].Mx蛋白的一级结构中,中间结构域（MD,也称为中央活性区（CID））和C末端GTPase效应区（GED）位于GTPase结构域之前.MD和GED与Mx蛋白的构象和活性密切相关,并且MD还与Mx的自我装配和靶病毒识别相关[14].GED区域的C端亮氨酸拉链向后折回和N端GTP结合区域结构共同形成Mx蛋白酶促活性中心.突变体缺乏GED区域并检测不到GTPase活性.C端亮氨酸拉链进化保守,暗示其在Mx蛋白功能中的至关重要作用.

2Mx蛋白基因的表达调控

I型干扰素、病毒及双链RNA都能够诱导表达Mx蛋白,但其诱导表达机制不同.I型干扰素诱导Mx基因表达途径：IFN先与IFN受体结合,使各自的酪氨酸酶磷酸化进一步激活JAK,引起Stat1和Stat2磷酸化,磷酸化的Stat可形成同源二聚体Stat1-Stat1或异源二聚体Stat1-Stat2,形成的异源二聚体Stat1-Stat2与IFN调节因子-9（IRF-9）结合形成IFN刺激基因因子3（ISGF3）三联复合体,ISGF3进入细胞核内与IFN刺激反应元件（ISRE）结合,从而启动抗病毒蛋白基因转录,合成抗病毒蛋白[15].

病毒和双链RNA也可以诱导Mx基因的表达,低剂量的病毒即可使细胞表达Mx蛋白.Mx蛋白通过病毒和双股RNA诱导表达的具体分子机理还不清楚.已有研究显示,病毒可通过IFN激活反应元件ISRE调控Mx基因的表达.Darnell等[16]用流感病毒感染细胞后,检测到细胞内干扰素调节因子（IRF-1）的转录表达量增加,由此推测病毒感染可以通过高表达IRF-1诱导Mx蛋白表达.而且,Ronni等[17]通过试验证明了人IRF-1基因的表达水平趋势与MxA基因一致.因而,流感病毒可能是通过一些列反应激活转录因子Stat-1α,随后Stat-1α与位于IRF-1的启动子序列（GAS）结合,使IRF-1基因表达,最后IRF-1与ISRE的结合体激活Mx基因的转录表达.

用IFN事先处理病毒感染或者双股RNA处理的细胞,其Mx mRNA的表达量明显增加,这是因为Mx基因启动子序列包含多个IRSE位点,ISGF-3和IRF各结合一个IRSE位点,二者共同完成Mx基因转录的激活[18].研究显示,当细胞诱导表达Mx蛋白时,随着蛋白表达量的增加而又呈现下降的趋势,这很可能是因为Mx基因的表达存在负反馈调节.当细胞用IFN处理或受到病毒感染后,IRF-1表达水平增加引起Mx蛋白的表达,而IRF-1能够诱导IRF-2的表达,当IRF-2表达后就会抑制IRF-1和ISGF调控的Mx基因转录,从而使Mx蛋白的表达降低[18].

3Mx蛋白抗病毒机制

Mx蛋白抑制不同RNA病毒作用已经有大量研究,并且其作用方式各不相同,下面综述Mx蛋白对不同RNA病毒的抗病毒机制.

3.1 抗正粘病毒科病毒

Mx蛋白对正粘病毒科病毒具有抑制作用,比如对流感病毒的抵抗作用,并且不同动物的Mx蛋白均对流感病毒有不同程度的抑制作用.鼠Mx1蛋白最早被发现具有抗黏液病毒作用,并且对其在流感病毒复制的不同阶段的作用做了大量研究,但明确的抗病毒机制还不清楚.鼠Mx1蛋白可能不影响流感病毒脱壳及其核糖核蛋白（vRNPs）向细胞核运输过程[19].感染事先用IFN处理过的细胞,病毒最初转录物和mRNA翻译含量降低,结果证明鼠Mx1蛋白抗病毒活性与IFN密切相关.尽管IFN作用后能够抑制流感病毒转录和翻译,但Mx蛋白抗流感病毒的作用方式不同,如IFN处理后的巨噬细胞,Mx1蛋白主要影响流感病毒的翻译来干扰病毒的感染,IFN处理后的胚胎成纤维细胞,Mx1蛋白能够抑制流感病毒的最初转录[20].Pavovic等利用能够持续表达Mx1蛋白的成纤维细胞系（排除IFN对流感病毒复制的影响）证明了鼠Mx1蛋白能够抑制流感病毒的最初转录[21].Mx1可以抑制流感病毒的不同转录片段,尤其是较大的转录片段（如编码结构蛋白PB1、PB2和PA的转录物）.研究显示鼠Mx1蛋白能够靶定流感病毒的vRNPs,并且与流感病毒vRNPs复合体的两个亚单位结合,分别为PB2蛋白和NP蛋白,但PB蛋白过量表达时能够抑制Mx1蛋白的活性,而NP蛋白决定流感病毒对Mx1蛋白的敏感性.最近发现Mx1蛋白与PB2和NP结合及干扰之间的相互结合均依赖于GTP结合序列和GTPase活性.

人类MxA蛋白定位于细胞质,对其抗流感病毒作用已有大量研究.研究显示,MxA蛋白对流感病毒抑制作用发生在病毒转录之后和翻译之前[21]；当MxA蛋白转移到细胞核后,其抑制病毒基因组最初转录的作用方式和鼠Mx1蛋白相似,但不同的是,人类MxA蛋白在细胞核以及细胞质中均能抑制流感病毒的转录.

3.2 抗弹状病毒科病毒

Mx蛋白对弹状病毒科病毒也有抑制作用,如水疱性口炎病毒（VSV）能够被大多数位于细胞质中的Mx蛋白抑制.研究发现,人类MxA蛋白通过阻止VSV mRNA的合成实现对病毒的抑制作用,很可能是抑制病毒mRNA链延伸阶段,但此抑制作用需要MxA蛋白具有完整的GTPase区域.利用纯化的MxA和病毒vRNPs进行体外试验,当GTP或者非水解的GTP衍生物存在时,纯化的MxA可以抑制VSV的转录,证明GTP结合序列对于MxA蛋白的抗病毒作用是必须的,而不是GTPase效应区[22].尽管体外试验显示MxA蛋白靶向VSV的vRNPs,但MxA蛋白和VSV之间的相互作用机制还不是很清楚.MxA蛋白抑制VSV mRNA合成与鼠Mx1蛋白抑制流感病毒转录机制相似.但是目前还不知道人类MxA蛋白干涉VSV核蛋白和聚合酶复合体及其之间的相互作用方式.

3.3 抗布尼亚病毒科病毒

人类MxA蛋白和大鼠及小鼠Mx2蛋白均能够抑制布尼亚病毒科的病毒,如MxA蛋白对拉克罗斯病毒（LACV）的抑制作用,MxA蛋白可以隔绝产生的新核衣壳蛋白从而抑制LACV的复制[5].MxA蛋白通过相似的机制抑制克里米亚-刚果出血热病毒（CCHFV）,并对此家族其他病毒具有相似的作用方式,包含里夫特裂谷热病毒（RVFV）、汉坦病毒（HTNV）、普马拉病毒（PUUV）和图拉病毒（TULV）.

3.4 抗副黏液病毒科病毒

人类MxA蛋白能够抑制某些副黏液病毒科病毒,MxA蛋白的抗病毒活性依赖于细胞类型和病毒株,如MxA蛋白能够抑制人类单核细胞系U937和恶性胶质瘤细胞系U87中的麻疹病毒,而在猴肾细胞（Vero）和Hep-2细胞中没有抑制作用[4].此外,MxA蛋白抑制病毒在U87细胞中的最初转录,在U937细胞中没有抗病毒作用[7],但具有抑制病毒糖蛋白合成的作用.人呼吸道合胞病毒（HRSV）在U87及Vero细胞中不受MxA抑制.而小鼠的肺炎病毒能够被转基因小鼠表达的牛Mx1蛋白抑制.

3.5 抗其他病毒科病毒

大多数Mx蛋白主要针对负链RNA病毒具有抵抗作用,人类MxA蛋白和不同鱼类的Mx蛋白对其他RNA病毒甚至一些DNA病毒也有抑制作用.MxA蛋白能够抑制正链RNA病毒的SFV和CSFV的复制.并且,鱼类Mx蛋白对正链RNA也具有抑制作用,例如,石斑鱼Mx蛋白通过抑制病毒mRNA的合成阻止黄石斑鱼神经坏死病毒（YGNNV）的感染,其作用机理很可能是通过Mx蛋白与病毒核衣壳作用来干扰病毒核衣壳的定位[23].另外,澳洲肺鱼的Mx蛋白通过再分配病毒RNA依赖聚合酶在核周区的分布抑制神经坏死病毒（NNV）.人类MxA蛋白和鱼类Mx蛋白也能抑制双链RNA（dsRNA）病毒,如三文鱼Mx蛋白可以抑制传染性胰腺坏死病毒（IPNV）.

Mx蛋白也能抑制dsDNA病毒,如人类MxA蛋白能抑制乙型肝炎病毒（HBV）和非洲猪瘟（ASFV）[24]. MxA能够抑制HBV复制过程中的多个阶段,如MxA能抑制病毒mRNA输出细胞核,也有可能是在HBV复制期间mRNA重新分配到细胞核.这种抗病毒机制和MxA蛋白抗LACV作用相似.值得注意的是,MxA蛋白突变体仍保留抗HBV活性,而这些突变将会废除GTPase的活性并且不利于MxA抗RNA病毒.这证明MxA蛋白GTPase活性对HBV的抑制可有可无.最后,MxA蛋白复合体通过包裹病毒实现抑制病毒的复制.

4Mx蛋白的应用和展望

目前,关于人和哺乳动物Mx蛋白的应用已有大量研究,Mx蛋白稳定、半衰期长、特异性好、检测方便,因此Mx抗病毒蛋白的开发和利用应有较好的前景.

Mx蛋白是由干扰素诱导表达的一类蛋白,具有广泛的抗病毒作用.大量试验研究表明,人、小鼠和鸡的Mx蛋白均具有良好的抗病毒活性.陈蕾等[25]通过试验表明,原核表达的鸡Mx蛋白注射鸡胚并对鸡胚攻毒后,发现此蛋白具有明显的抗病毒作用,构建的Mx转基因动物同样具有抗病毒作用,Mx转基因猪和小鼠能很好地抵抗高致病性流感病毒的感染[26],可见Mx基因在培育具有抗病毒作用的动物方面具有重要的意义.

伴随着细胞生物学和分子生物学技术的发展及对Mx蛋白的抗病毒特性、生物学功能及作用机制的深入研究,可通过转基因克隆技术获得高表达Mx蛋白的动物新品种,为防控动物病毒病提供新的思路和手段.

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（责任编辑：卢奇）

Research progress in the antiviral mechanism of Mx proteins

TAO Huan,HU Shanming,SUN Hao,LI Jiajun,YU Yan,MA Jinyou
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

Mx protein is an antiviral protein induced by interferon or produced by animals infected with virus.Mx protein has a broad of antiviral function and exists widely in different animals.The finding,structure and expression regulation of Mx protein were introduced simply in this paper.Meanwhile,the antiviral mechanisms of Mx to different family viruses were reviewed.

Mx protein；interferon；antiviral

S858.31

A

1008-7516（2016）04-0037-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.04.008

2016-06-12

河南省高校科技创新人才支持计划（13HASTIT006）；河南省科技攻关项目（162102110038）；河南省教育厅自然科学基础研究项目（14A 230011）

陶换（1988―）,女,河南平顶山人,硕士生.

马金友（1968―）,男,河南信阳人,博士,副教授.主要从事分子病理学与动物病原学研究.