VDAC蛋白在病毒诱导的细胞凋亡中作用的研究进展

刘军亭，王 涛，陈妍卉，于 潜，刘久源，于丁一，董 浩,2*

（1.吉林农业大学生命科学学院，吉林 长春 130118；2.吉林农业大学生物反应器与药物开发教育部工程研究中心，吉林 长春 130118；3.东北师范大学附属中学，吉林 长春 130118）

目前动物疾病死亡率高、传染性强，给中国畜禽业带来了严重的经济损失，对于疫病的防控迫在眉睫。多数动物疫病因病毒感染所致，特别是小鹅瘟、猪瘟、禽流感等疾病，病毒的致病性与众多因素有关，其中病毒诱导的细胞凋亡是致病机制之一。病毒在侵入动物细胞时所引起的宿主细胞凋亡，为病毒自身的复制和扩散创造了有利条件[1]。目前对病毒诱导细胞凋亡的机制还不很了解，但近些年有多项研究报道，线粒体外膜上的电压依赖性阴离子通道（Voltage-dependent anion channel，VDAC）蛋白在细胞代谢和细胞凋亡中可能具有调控作用。据报道一些病毒侵入宿主细胞后，VDAC 蛋白可通过寡聚体通道释放凋亡相关蛋白，从而促进细胞凋亡。此外VDAC 蛋白也可通过与抗凋亡蛋白的相互作用负向调控细胞凋亡。因此VDAC 在某些病毒诱导的细胞凋亡中可能起到关键作用。本文将对VDAC 蛋白的分类、结构特点、在细胞代谢中的作用以及在病毒诱导的细胞凋亡中可能存在的一些作用进行综述，为深入研究病毒的复制机制提供一定参考。

1 VDAC 蛋白

VDAC 蛋白位于线粒体外膜，作为膜通道的第一道防线，与线粒体内膜中的腺嘌呤核苷酸转运体（ANT）、基质中的亲环素D（CypD）及膜间隙可溶性蛋白等共同组成线粒体渗透性转变孔复合物[2]。VDAC蛋白由约285个氨基酸组成，大小约为30 ku。最初研究发现VDAC 蛋白的结构为β-折叠；有3 种亚型：VDAC1、VDAC2 和VDAC3，其中VDAC3 蛋白的部分序列与VDAC1和VDAC2相同，因此其行使的功能可能部分相同，但不同种生物可能存在不同数量的亚型[3]。VDAC 蛋白是由核基因编码后，通过胞质分子伴侣转运至线粒体，并被线粒体外膜的转位酶复合物识别，经分选整合后插入到线粒体外膜中，发挥着“门”的功能[4]。但近年有研究报道VDAC 蛋白不仅在线粒体外膜表达，还存在于内质网膜和细胞核膜上，其功能尚未阐明[5]。

细胞在代谢过程中，ATP 和ADP 的转换需要先经过线粒体膜转运复合体，然后与线粒体内的VDAC蛋白作用，跨过线粒体膜通道进入细胞质中，最后释放细胞代谢所需的能量[6]。VDAC 蛋白在转运离子和代谢物等的跨膜运输中也起着关键作用，例如Ca2+、胆固醇、脂肪酸和活性氧（ROS）等物质。VDAC 蛋白对Ca2+有调控作用，可调节线粒体内Ca2+的稳态和氧化磷酸化[7]。VDAC1 蛋白与转运蛋白（TSPO）和类固醇激素合成急性调节蛋白（StAR）共同形成转运胆固醇的多蛋白转导体。并且VDAC 蛋白可通过与己糖激酶结合后，将胞浆和膜间隙之间的ATP/ADP、NAD+/NADH 和乙酰辅酶A 等物质回收，以调节糖酵解和三羧酸循环等过程[8]。此外VDAC1寡聚体可形成亲水性蛋白转运通道，能够介导凋亡诱导因子AIF 从线粒体外膜转运至胞浆和细胞核中，导致细胞凋亡[9]。另有研究表明VDAC1 寡聚体允许线粒体DNA 的释放，造成线粒体功能障碍并促进炎症小体的激活[10]。因此VDAC 蛋白能否在线粒体外膜转运过程中正常运行直接影响着细胞的代谢和死亡。作为细胞稳态关键调节剂的VDAC 蛋白，与细胞代谢和细胞死亡之间的平衡有着复杂的联系[11]。

2 病毒感染与细胞凋亡

2.1 细胞凋亡细胞凋亡是指细胞程序性死亡，其参与了从胚胎发育到衰老的生物学过程。促凋亡活性蛋白与宿主细胞内的特异性相关蛋白发生相互作用，形成蛋白复合物，破坏宿主细胞内的动态平衡，触发一系列的级联信号，从而激活不同的信号通路诱导宿主细胞发生凋亡。目前，细胞凋亡可分为内源性凋亡通路与外源性凋亡通路两种[12]。

线粒体膜通透性增强是细胞内源性凋亡开始的重要标志，该凋亡形式依赖于线粒体释放的因子，因此也称为线粒体凋亡[13]。线粒体接收到来自胞内产生的各种凋亡信号，例如氧化应激、DNA 损伤、溶酶体压力、ROS 以及Ca2+过载等，使线粒体膜通透性增强，膜间隙可溶性蛋白释放到胞浆中，进而激活一系列的Caspase 级联反应，最终导致细胞发生线粒体凋亡[14]。其中膜间隙可溶性蛋白包括细胞色素c（Cyt c）、丝氨酸蛋白酶（HtrA2/Omi）、凋亡诱导因子（AIF）、Smac/Diablo 及核酸内切酶（EndoG）。研究表明随着不同膜间隙蛋白的释放，它们诱导所产生的凋亡通路也不同[15]。外源性凋亡通路又称为由死亡受体介导的细胞凋亡，死亡受体归属于肿瘤坏死因子受体基因超家族（TNFR），是一类具有跨膜性质的蛋白[16]。胞外的死亡配体与相应的受体结合是外源性凋亡开始的标志，此时各种凋亡信号传递到胞内，经过不同路径引起细胞凋亡[17]。

2.2 病毒感染与细胞凋亡的关系在长期进化中，宿主具有及时识别病毒感染并抑制病毒复制的反应，即在病毒侵入宿主早期，宿主可“杀死”自身已受病毒感染的细胞进而控制病毒在细胞中的复制，同时还能促进相邻细胞呈现抗病毒模式。病毒在侵入宿主后，宿主通过凋亡等反应抵御病毒。然而病毒为了能够在宿主体内成功的感染和复制，也不断地变化策略应对宿主细胞的凋亡反应[18]。一方面，宿主细胞通过自身凋亡杀死已被病毒感染的细胞，从而中止病毒扩散；另一方面，病毒利用宿主细胞的凋亡机制达到促进自身复制和释放子代颗粒的目的，进而增强病毒的致病性。病毒在感染早期会迫使宿主编码类似B淋巴细胞瘤-2基因（Bcl-2）家族的抗凋亡蛋白或抑制促凋亡蛋白活性的病毒蛋白以阻断细胞凋亡的发生，从而有利于自身的复制。当获得足够多的子代病毒后，开始促进细胞凋亡加速病毒的传播和宿主的损伤。总之，病毒或者通过增强线粒体膜通透性影响或控制凋亡的关键蛋白，进而间接的促进线粒体凋亡的发生；或者直接作用于外源性凋亡途径的核心蛋白以促进由死亡受体介导的细胞凋亡[19]。

3 VDAC 蛋白在病毒诱导的细胞凋亡中的作用

VDAC 蛋白与细胞的关系非常密切，在病毒诱导的凋亡过程中主要包括两种作用：一种为VDAC 蛋白与促凋亡或抗凋亡因子结合直接参与病毒诱导的凋亡；另一种为VDAC蛋白作用于病毒间接参与凋亡。

3.1 VDAC 蛋白直接参与细胞凋亡研究表明某些病毒蛋白可靶向线粒体并干扰其功能，造成线粒体功能障碍，进而导致病毒性疾病。如，丙型肝炎病毒（HCV）蛋白与线粒体的关联在HCV 诱发的慢性肝病和肝癌的发病机理中起重要作用[20]。HCV 蛋白进入线粒体后，导致线粒体内Ca2+吸收增加、ROS 产生和线粒体通透性转变，内源性凋亡和肝脏微环境的变化导致疾病的发生。VDAC 作为线粒体内关乎细胞生死的蛋白，在线粒体凋亡中起关键作用，因此疾病的发生与VDAC 蛋白的调控息息相关[21]。如图1所示，线粒体凋亡蛋白的释放是通过线粒体膜上的一个通道，该通道主要由Bax 或Bax 的异型低聚物、Bak 低聚物、及VDAC 蛋白或VDAC 蛋白低聚物组成[22]，改变线粒体膜的通透性有助于凋亡蛋白的释放，进而促使细胞发生线粒体凋亡。同时在凋亡早期，Bcl-2 家族的促凋亡因子Bak 与VDAC 蛋白结合后，引起VDAC 蛋白闭合进而抑制ATP 的释放，ADP、无机磷不能从胞浆进入线粒体，从而抑制了线粒体的功能，导致线粒体膜通透性改变，释放Cyt c 和凋亡因子等，进而导致细胞凋亡[23]。

VDAC 蛋白可通过与凋亡因子的相互作用调控病毒感染细胞的凋亡，且VDAC 蛋白的3 种亚型与不同蛋白的互作在病毒诱导的凋亡中发挥不同的作用。Li 等研究发现，牡蛎在感染疱疹病毒后，内源性VDAC2 蛋白可能通过抑制Bak 的活性，进而抑制细胞凋亡[24]。该研究为软体动物的线粒体凋亡提供了新的见解，也为疱疹病毒感染的防制提供了新的思路。Chen 等研究表明，VDAC 蛋白在虾白斑综合征病毒（WSSV）感染的不同阶段发挥着不一样的作用，即在早期诱导线粒体功能障碍造成能量异常和代谢前体，但在后期增强线粒体膜通透性和线粒体凋亡[25]。杨夏云研究表明，喹烯酮（QCT）代谢过程中产生的ROS 促进VDAC1/2 蛋白和Bak1 多聚体的形成，同时抑制Wnt/β-catenin 信号通路引起细胞发生线粒体凋亡[26]。喹烯酮（QCT）是一类广泛应用于畜牧与水产养殖中的新型药物，但其具有遗传毒性。QCT 代谢过程中产生的ROS 是造成其毒性的原因。抑制VDAC1/2 蛋白和Bak1 多聚体可以有效减缓ROS 的产生，进而可能消减其遗传毒性，该研究为兽药的研发带来了新的方向。多项研究均表明VDAC 蛋白可以通过与其互作因子的结合来调控细胞凋亡的发生（表1），因此调控VDAC 蛋白的表达可能会对治疗由凋亡引起的动物疾病有效。

表1 VDAC蛋白及与其互作因子的作用Table 1 The role of VDAC and its interacting factors

3.2 VDAC 蛋白间接参与细胞凋亡大量研究表明，VDAC 蛋白不仅可直接与凋亡相关蛋白相互作用，还可调控病毒，从而间接作用于病毒诱导的细胞凋亡[35]。有研究表明过表达VDAC 可增加内质网和线粒体之间的接触点，促进线粒体对Ca2+信号的响应，而Ca2+内流可激活线粒体介导的细胞凋亡[36]。如Zhang 等研究表明，鸭肠炎病毒可通过对Ca2+的调控抑制鸭胚成纤维细胞（DEF）的活力，同时促进DEF细胞的凋亡和内质网应激，而沉默VDAC 蛋白可抑制Ca2+内流和调控细胞凋亡[37]。此外VDAC 蛋白还参与了其他类型的动物疾病，例如由细菌引起的疾病和动物糖尿病等（表2）。因此，调控VDAC 蛋白的表达对动物疾病的治疗有很大益处，VDAC 可能会成为治疗动物疾病的新靶点或疫苗研发的新方向。

表2 VDAC蛋白及其互作因子在不同病毒或疾病中的作用Table 2 The role of VDAC and its interacting factors in different viruses or diseases

早期Lv 等的研究提到牙鲆鱼在感染鲆弹状病毒（SMRV）后，体内的VDAC 蛋白可抑制SMRV 的复制，具有抗病毒免疫反应，并可能对细胞凋亡具有调控作用[43]。Lin 等研究表明，在传染性法氏囊病病毒（IBDV）感染过程中，鸡源蛋白激酶C 受体1（RACK1）、VDAC2 蛋白和IBDV VP5 发生相互作用，并在病毒感染后于细胞内形成复合物，抑制病毒的增殖，在IBDV 感染过程中发挥了抗凋亡作用，说明VDAC2 蛋白在诱导凋亡的过程中起着不可或缺的作用，但其作用机制尚未阐明[44]。此后韩春燕研究发现，宿主蛋白VDAC1可以促进IBDV RNP 复合体聚合酶的活性和稳定性，对IBDV 的复制具有调控作用，并且下调VDAC1 蛋白的表达可以显著抑制IBDV 诱导的细胞凋亡[45]。Jitobaom 等研究表明，登革热病毒（DENV）感染哺乳动物细胞后，VDAC1 蛋白可以与DENV E 蛋白相互作用的蛋白GRP78 进行结合，进而促进DENV的复制，但VDAC1与GRP78蛋白的相互作用是否促进了DENV 诱导的细胞凋亡还尚未阐明[38]。目前，本实验室对VDAC 的研究尚浅，但已发现鹅胚成纤维细胞（GEF）中的VDAC1 蛋白可与鹅细小病毒（GPV）非结构蛋白NS1相互作用，且VDAC1蛋白参与了NS1 蛋白通过线粒体途径诱导的细胞凋亡；但调控VDAC1 蛋白并不影响GPV 的复制。VDAC1 蛋白直接与病毒的关键蛋白结合发挥促凋亡的作用，VDAC1不影响GPV 的复制，推测这可能与病毒的复制机制有关。至今，尚无特别好的措施防制GPV的感染，调控VDAC1蛋白的表达进而影响细胞凋亡可能是较好的措施，这也将是本实验室未来的主要研究方向。

多项研究均表明VDAC 蛋白参与了病毒诱导的细胞凋亡，因此可以从VDAC 蛋白与病毒之间的关系入手，探究VDAC 蛋白在病毒诱导的细胞凋亡中的作用，可能为研究者提供新的研究方向。

4 展 望

VDAC 蛋白作为线粒体外膜最丰富的蛋白，在病毒诱导的细胞凋亡中起重要的调控作用。VDAC 蛋白既可以与Bcl-2 家族中的Bax 和Bak 等促凋亡因子协同作用调控Cyt c 的释放，进而调节细胞线粒体凋亡的发生；也可与抗凋亡因子相互作用起到抗凋亡的作用。多数病毒在感染宿主细胞时，早期通过抑制细胞凋亡为病毒的复制创造条件，此时利用VDAC 蛋白与促凋亡因子的相互作用加快宿主诱导的细胞凋亡，可能对抵御病毒的复制有效；后期病毒通过促凋亡机制杀死更多的宿主细胞并使细胞破碎后释放病毒，促进子代病毒颗粒的传播，此时利用VDAC与抗凋亡因子的结合抑制病毒诱导的细胞凋亡，可能会抑制病毒的扩散和对宿主的损伤。VDAC 蛋白及其互作蛋白在不同动物细胞中具有凋亡功能，使VDAC 蛋白成为治疗动物疾病的理想候选者。此外调控VDAC 蛋白的表达或使其形成低聚物的治疗方法已在多种动物模型中验证有效。通过调控VDAC蛋白的表达进而影响细胞凋亡，有望成为多种线粒体疾病新的治疗靶点，兽药的研发也会因此向前迈出一大步，使其更安全、可靠和有效。