硫酸乙酰肝素蛋白聚糖介导人...患病病毒感染机制的研究进展_林敏华.pdf

福建畜牧兽医第45卷第1期2023年硫酸乙酰肝素蛋白聚糖介导人畜共患病病毒感染机制的研究进展林敏华1丰志华1李兆龙1,2*（1.福建省天然免疫生物学重点实验室/福建师范大学南方生物医学研究中心福州350117；2.福建省农业科学院畜牧兽医研究所福州350013）摘要硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPGs）由多个带负电荷的硫酸乙酰肝素（HS）多糖附着在细胞表面组成。HSPGs通过调控多种信号分子与其受体结合，从而参与并调节体内许多生物反应过程。由于其分布广泛且带负电荷的特性，HSPGs被许多微生物病原体，特别是病毒作为附着在宿主细胞上的辅助因子，成为病毒感染宿主的关键因子。本文简要综述HSPGs与多种人畜共患病病毒的相互作用方式，并重点介绍其作为辅助受体的机制，有望为人畜共患病防治提供一定的理论基础。关键词硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPGs）病毒病毒受体文献标识码：A文章编号：1003-4331（2023）01-0024-04Advances in the mechanism of coronavirus infection mediated by heparan sulfate proteoglycansLin Minhua1Feng Zhihua1Li Zhaolong1,2*(1.Fujian Key Laboratory of Innate Immune Biology/Biomedical Research Center of South China,Fujian Normal University,Fuzhou350117;2.Institute of Animal Husbandry and Veterinary Medicine,Fujian Academy of Agricultural Sciences,Fuzhou 350013)Abstract Heparan sulfate proteoglycans(HSPGs)are composed of multiple negatively charged,heparan sulfate(HS)polysaccharidesattached to the cell surface.HSPGs bind to their receptors,thus participating in and regulating many biological response processes invivo.Due to their widely distributed and negatively charged properties,HSPGs are used by many microbial pathogens,especiallyviruses,as key cofactors attached to host cells.This paper briefly reviews the way that HSPGs interact with multiple zoonotic viruses,and highlights their mechanisms as accessory receptors,which is expected to provide some theoretical basis for the prevention andtreatment of zoonosis.Key words Heparan sulfate proteoglycans(HSPGs)Virus Viral receptor在 哺 乳 动 物 中，硫 酸 乙 酰 肝 素 蛋 白 聚 糖（HSPGs）是机体参与识别病毒最常见的糖缀合物之一。其中硫酸乙酰肝素（HS）是一种糖胺聚糖（GAG），存在于哺乳动物细胞与胞外基质，HS通过交联形成HSPGs附着在细胞表面1。HSPGs合成后被运输到细胞表面和细胞外基质（ECM），随后HS链被乙酰肝素酶（Hpse）进一步修饰加工成熟，参与一系列的生物反应。越来越多的研究表明，HSPGs参与多种病毒-细胞相互作用，且在病毒感染过程中起着关键作用。此外，其他病原如寄生虫与细菌也可利用细胞表面HSPGs粘附，并协助病原进入宿主细胞2。本文重点关注HSPGs在人畜共患病病毒发病机制中的作用及最新研究进展，以期为人畜共患的多种病毒提供防治思路。1硫酸乙酰肝素蛋白聚糖的结构与功能1.1硫酸乙酰肝素蛋白聚糖的结构硫酸乙酰肝素蛋白多糖（HSPGs）由一个核心蛋白共价连接至糖胺聚糖（GAG）链组成，该链主要由无支链并携带负电荷的硫酸乙酰肝素（HS）多糖形成（见图1）。此外，糖胺聚糖链还包括硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸角质素和透明质酸等3。除了存在于细胞外基质（ECM）中的基底膜蛋白多糖、聚集蛋白和XVIII型胶原蛋白外，大多数HSPGs都固定在真核细胞质膜上4。HSPGs分布广泛，最早作为膜蛋白被发现，联合蛋白聚糖（Syndecans）与脂酰基醇蛋白聚糖（Glypi-cans）是HSPGs两类主要的膜锚定类型（见图2）。联合蛋白聚糖由4个不同的基因编码，是丰度最高的跨膜HSPGs类型。脂酰基醇蛋白聚糖由6个不同的基因编码，主要通过糖基磷脂酰肌醇（CPI）锚定在细胞膜上5。1.2硫酸乙酰肝素蛋白聚糖的功能硫酸乙酰肝素蛋白多糖（HSPGs）在哺乳动物中高度保守，且具有多种功能，HSPGs的可变性与部分功能由硫酸乙酰肝素链决定，该链由细胞中一组糖胺酶合成。作者简介：林敏华，硕士研究生。*通信作者：李兆龙，男。副研究员、博士，主要从事畜禽肠道微 生 物 及 分 子 育 种 的 研 究，E-mail:lizhao-。24福建畜牧兽医第45卷第1期2023年HSPGs作为细胞外基质（ECM）的组成部分，它们有助于基底膜的稳定，并介导细胞的粘附与运动6。作为外分泌囊泡的一部分，它们确保了分泌小泡的正常功能。HSPGs还大量参与多种信号通路，特别是涉及生长因子的信号通路，如表皮生长因子、血管内皮生长因子、肝细胞生长因子和碱性成纤维细胞生长因子7。研究表明，HSPGs参与肿瘤抑制和肿瘤发生8。此外，它们还参与细胞受体的内吞作用，介导趋化因子跨膜运输，HSPGs还作为多种病毒的受体或辅助受体参与病毒吸附、内化等9。2硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPGs）在病毒感染中的作用2.1HSPGs是人冠状病毒（SARS-CoV-2）辅助受体SARS-CoV-2是冠状病毒属的一种单股正链RNA包膜病毒，其具有广泛传播能力并不断变异，目前仍处于大流行阶段。该病毒原始宿主被怀疑为某种野生哺乳动物，并不断变异使其对人易感。目前，该病毒仍不断变异，且表现出与其他哺乳动物交叉感染能力10。SARS-CoV-2主要感染表达血管紧张素转化酶2（ACE2）的细胞，并通过质膜融合或内吞作用进入细胞。病毒粒子的包膜中包含刺突蛋白（S蛋白），它参与了细胞表面的结合与融合过程。S蛋白有两个亚基，S1亚基与其主要受体ACE2相互作用，而S2亚基参与宿主细胞的融合。最近的研究表明，除ACE2外，硫酸乙酰肝 素蛋白聚糖（HSPGs）也可作为辅助受体在SARS-CoV-2细胞粘附中发挥重要作用（见图3）。病毒刺突蛋白（S蛋白）与HSPGs的结合导致局部病毒的富集，从而实现随后与ACE2的特异性结合11。另外，研究表明通过阻断病毒刺突蛋白与HSPGs的结合可有效抑制病毒侵染，其结合位点不与ACE2结合位点重叠，因此，认为呼吸道HSPGs可作为SARS-CoV-2的辅助受体12。图3HSPG协同人畜共患病病毒入侵示意图2.2HSPGs为猪繁殖与呼吸综合征病毒（PPRSV）受体猪繁殖与呼吸综合征病毒（Porcine reproduc-tive and respiratory syndrome virus，PRRSV），俗称猪蓝耳病病毒，是一种包膜病毒，包含一个长度为15 kb的单股正链RNA基因组，目前在世界上绝大多数国家流行，给养猪业造成了巨大的经济损失13。特异性分化的猪肺泡巨噬细胞是PRRSV感染的主要靶点。目前，硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPGs）与清道夫受体蛋白（CD163）被认作PRRSV受体。乙酰肝素酶（Hpse）可以下调细胞表面HSPGs的表达，从而抑制病毒的释放。Hpse在感染后期被PRRSV上调，Hpse的下调可抑制PRRSV的释放，而Hpse的过表达可增强细胞对PRRSV的易感性。吡啶硫酮是一种抗菌和抗真菌药物，其通过抑制Hpse活性进而抑制HSPGs的表达，其也被证明可以抑制PRRSV的释放14。进一步研究发现抑制HSPGs和Hpse均可靶向干扰PRRSV的附着与释放，表明PRRSV在病毒粒子吸附阶段与释放阶段都与HSPGs存在极大关系。此外，硫酸乙酰肝素（HS）和唾液粘附素（SN）通过协同作用促进PRRSV与细胞受体的附着15。PRRSV首先与细胞上的硫酸肝素结合，这种相互作图1硫酸乙酰肝素蛋白聚糖组成示意图图2硫酸乙酰肝素蛋白聚糖的化合结构及空间结构25福建畜牧兽医第45卷第1期2023年用进一步促进了PRRSV与唾液粘附素的结合并促使病毒颗粒内化16。2.3HSPGs为流行性乙型脑炎病毒（JEV）受体日本脑炎病毒（Japanese encephalitis virus，JEV）属于黄病毒科黄病毒属，是一种人畜共患的蚊媒黄病毒，JEV引起的日本脑炎是世界上主要的脑炎疾病之一17。JEV在亚洲和西太平洋大部分地区普遍存在，全球超过40亿人存在感染风险。JEV包膜蛋白（E蛋白）是诱导中和抗体的主要抗原，在诱导宿主的免疫应答过程中起着关键作用。已有研究表明，硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPGs）是黄病毒侵入细胞的一种附着受体，JEV高度硫酸盐形式的HSPGs可以与JEV包膜蛋白结合，并参与多种黄病毒感染。JEV感染会引起细胞坏死、焦亡或凋亡，最终导致细胞死亡，黄病毒通过控制HSPGs等细胞蛋白来延长病毒复制18。宿主细胞表面蛋白糖胺聚糖（GAG）与硫酸乙酰肝素/硫酸软骨素（HS/CS）参与JEV初始附着，并且在JEV非结构蛋白表达过程中发挥作用19。研究表明，外源性硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPGs结构类似物）可以保护细胞在被病毒感染后免受死亡，这一发现增加了HSPGs参与JEV感染过程的可能性20。此外，近来有研究人员利用CRISPR高通量筛选技术对JEV潜在的宿主依赖因子进行筛选，通过对JEV感染相关基因的基因组大规模筛选表明，有10个与HSPGs代谢相关的基因被显著富集。随后，研究发现单独敲除SLC35B2、HS6ST1、B3GAT3和GLCE等HSPGs通路相关基因后，JEV感染（MOI=0.03时）诱导的细胞死亡被显著抑制。另外，通过空斑形成试验测定上清中的JEV滴度，发现上清中的病毒载量明显降低。免疫荧光分析的结果显示，JEV编码的NS3蛋白的表达在4个HSPGs相关基因敲除细胞系中减少或未检出。这些结果表明，敲除这4个HSPGs相关基因显著抑制了JEV复制。更重要的是，使用HSPGs抗体进行免疫荧光分析显示，与野生型细胞相比，敲除SLC35B2和HS6ST1基因导致HSPGs硫酰化水平显著降低。这些结果表明，HSPGs能够作为一种细胞粘附因子或辅助受体介导JEV进入宿主细胞21。2.4HSPGs影响甲型流感病毒（IAV）感染甲型流感病毒（Influenza A virus，IAV）是一种具有单股负链RNA基因组的包膜病毒，属于正粘病毒科，它是一种影响多物种的人畜共患病病毒，也是对人类和猪最致命的一种呼吸道病毒22。血凝素（HA）和神经氨酸酶（NA）是IAV包膜蛋白中主要的蛋白质，目前已经发现18种HA和11种NA类型。这些蛋白质的结合可以将IAV分为具有物种特征的不同亚型：人主要表现为H1N1、H5N1、H7N9等亚型，猪物种中主要为H1N1、H1N2、H3N1、H3N2、H2N3等亚型，而在禽类中多数亚型均被发现23。IAV主要通过表面蛋白HA与宿主细胞结合，它可以识别细胞膜糖蛋白中的