全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 6期
杆状病毒凋亡抑制基因
舒端阳　陈娟　郭素英　彭建新　洪华珠
(华中师范大学生命科学学院昆虫学研究所 ,武汉 430079)
　　摘 　要 : 　杆状病毒 ( baculoviruses)感染昆虫细胞会引发细胞凋亡 ,然而病毒为了确保自身的复制和繁殖会抑制宿主细胞
的凋亡。杆状病毒在长期进化过程中获得了凋亡抑制基因 ,如苜蓿银纹夜蛾核型多角体病毒 (A utographa californ ica MNPV,
AcMNPV)中的 p35基因 ,棉铃虫核型多角体病毒 (Helicoverpa arm igera single nucleocap sid nucleopolyhedrovirus, HaSNPV )基因
组中的 IA P基因家族 ,以及莲纹夜蛾核形多角体病毒 (Spodoptera littora lis multicap sid nucleopolyhedrovirus, Sp liMNPV)的 p49基
因等。尽管这些基因都具有抑制细胞凋亡的功能 ,但是作用途径和方式却各有差异。对杆状病毒 3种抗凋亡基因的结构和功
能作一简单的介绍和评述。
关键词 : 　杆状病毒 　细胞凋亡 　p35基因 　IA P基因家族 　p49基因
The Apoptotic Inhibitory Genes of Baculoviruses
Shu Duanyang　Chen Juan　Guo Suying　Peng J ianxin　Hong Huazhu
( Institu te of Entom ology, L ife Sciences College, Huazhong N orm al University, W uhan 430079)
　　Abs trac t: 　Baculoviruses′infection triggers apop tosis of insect cells1 In order to ensure the rep lication and rep roduction activities,
baculovirus have been initiating apop totic inhibitory gene1 During evolutionary p rocessing, such as p35 gene of AcMNPV, IAP fam ily of
HaSNPV and p49 p rotein in Sp liMNPV1 In this review, the structures and functions of p35, IAP fam ily and p49 genes were described1
Key wo rds: 　Baculovirus　Apop tosis　p35 gene　 IAP gene fam ily　p49 gene
收稿日期 : 2009201215
基金项目 :国家自然科学基金项目 (30470073)
作者简介 :舒端阳 (19832) ,安徽人 ,硕士研究生 ,主要从事细胞分子生物学方面的研究
通讯作者 :彭建新 , E2mail: Jxpeng@mail1ccnu1edu1cn
　　细胞凋亡 ( apop tosis) 是由多种因子介导的细胞
主动死亡的过程 ,这种中高度保守的过程对于组织或
机体维持内环境的稳定和抵御包括病毒在内的病原
体的入侵非常必要 [ 1, 2 ] , 对控制生物体的衰老死亡 ,
生长发育 ,生命周期有十分重要的意义 , 因此 ,从上
世纪 90年代初开始 ,细胞凋亡的研究就成了生命科
学重要的研究领域之一 [ 3, 4 ]。细胞凋亡具有不可逆
性 ,在生命周期中只发生一次 ,对多细胞生物的正常
发育和维持内环境的稳定十分必要。引起细胞凋亡
的因素很多 ,例如紫外线 ,放线菌酮 ,高温 ,激素 ,受损
DNA或细胞毒素等。目前在腺病毒 ,疤疹病毒 ,逆转
录病毒和杆状病毒基因组中发现能够调节细胞凋亡
的基因。
杆状病毒是一类重要的无脊椎动物病毒 ,具囊
膜包被 ,基因组为闭合环状双链 DNA,分子大小在
80～180 kb之间 [ 5 ]。在长期的进化过程中 ,杆状病
毒获得了一些进化上的繁殖优势 ,在细胞水平上对
寄主细胞的生理活动进行调控 ,以适应自身的生活
环境和繁衍后代的需要。不同的杆状病毒在感染相
应的寄主细胞后会启动不同的凋亡抑制基因 ,如苜
蓿银纹夜蛾核型多角体病毒 (AcMNPV ) 感染寄主
细胞后会启动 p35基因 ,莲纹夜蛾核形多角体病毒
( Spodop tera littoralis multicap sid nucleopolyhedrovir2
us, Sp liMNPV )在侵入宿主后会优先利用 p49基因 ,
而某些病毒在与寄主细胞相互作用的过程中会启动
IAP家族蛋白基因 ,杆状病毒这 3类基因都具有抑
制细胞凋亡的功能 ,但是作用途径和方式存在差异。
1　p35基因结构与功能
p35是第一个被发现的凋亡抑制基因 , 1991年
由 Clem等 [ 6 ]在苜蓿银纹夜蛾多粒包埋核型多角体
2009年第 6期 舒端阳等 :杆状病毒凋亡抑制基因
病毒 (Autographa californica MNPV, AcMNPV )中分
离并鉴定出。p35基因位于 A cMN PV基因组 8711～
8718 mu图谱单位。其 ORF由 897个碱基对组成 ,
基因编码 299个氨基酸 ,分子量为 35 kD。在结构
上没有明显的基元序列 (motif) ,其结构中惟一明显
的特征是分子中几个带电残基的集簇 ,如分子中央
及 C2末端富含赖氨酸的结构域和 N2末端的高电荷
结构域。Bertin等 [ 7 ]将 N2末端的高电荷结构域分成
CHR1、CHR2和 CHR3。据疏水性计算 ,高电荷结构
域位于分子的外表面 ,可能参与蛋白质和蛋白质之
间的相互作用。高电荷结构域对于突变特别敏感 ,
任一高电荷结构域的突变都会导致抗凋亡功能的丧
失。N2末端有一个特殊的高电荷结构域 ,能充当
p35功能的显性失活抑制子。p35的启动子兼有早
期和晚期调控元件 ,转录起始位点上游 55～155 bp
的区域对于早期病毒的感染过程具有极其重要的
作用。
目前 ,除了在 AcMN PV 基因组中 , Kam ita等 [ 8 ]
也在家蚕 (B om byx m ori, Bm)中发现 P35的同源物 ,
两者核苷酸同源率达 9611% , 表达产物氨基酸同源
率达 8916% ,但后者的抗凋亡水平却比较低。粉纹
夜蛾核型多角体病毒 ( Trichop lusianiMNPV, TnMN2
PV) p35 基因和粘虫核型多角体病毒 ( Leucanca
seperata NPV , L sNPV ) p35基因分别是由中山大学
和武汉大学发现和鉴定的 ,与 AcMNPV p35基因同
源性为 100%和 8014% ,可见 p35是个高度保守的
基因。
Clem等 [ 9 ]利用定点突变技术确定了 p35基因
的功能。他们利用 AcMNPV 的 p35基因缺失突变
体 v△P35k / lacZ感染 Sf221细胞后 ,病毒生长特征
明显改变 ,晚期基因的表达受到极大限制。根据病
毒滴度的不同 ,胞外病毒产量急剧下降 ,病毒 MO I
要比野生型 AcMNPV减少 200～15 000倍。 p35基
因缺失突变体感染 Sf221细胞后 ,引起细胞早熟裂
解 ,此现象类似程序性细胞死亡 ( p rogrammed cell
death, PCD ) ,说明 p35基因可以阻抑病毒感染细胞
诱导的凋亡。由病毒感染诱导的凋亡可通过细胞
DNA的降解来鉴别 ,即细胞 DNA降解为寡核体大
小不等的片段 ,同时涉及早熟细胞裂解。 P35抑制
凋亡可避免细胞的早亡及 DNA的片段化作用 ,利于
病毒自身的复制增殖。相反 ,细胞对病毒的反应产
生的细胞凋亡是一种防御机制 ,遏制病毒增殖 ,使个
体得以保存。
初步研究显示 , P35蛋白 C2末端 12个氨基酸残
基对该蛋白的功能和稳定性极其重要。此段序列含
有高比例的赖氨酸 ,带正电荷 ,有利于将 P35蛋白带
向细胞中的靶位点。P35蛋白则通过结合并抑制半
光天冬酶活性 ,阻止细胞凋亡。体内及体外研究表
明 , P35 蛋白对各类半光天冬酶均有抑制作用。
Zoog等 [ 7 ]指出 ,半光天冬酶与 P35相互作用后 ,可
识别 P35的第 87位天冬氨酸 ,并在天冬氨酸的羧基
端切开肽键 ,被切开的 P35的片段再与半胱天冬酶
结合 ,使半光天冬酶的立体构象发生改变 ,从而抑制
半光天冬酶的活性。
2　IA P基因家族结构与功能
凋亡抑制蛋白 IAP ( inhibitor of apop tosis p ro2
teins) 广泛存在于病毒、昆虫、哺乳动物等不同生物
类群 ,它们的表达产物能抑制细胞凋亡 [ 10, 11 ]。根据
氨基酸序列的同源性 , IAP家族可分为 IAP 1、IAP2、
IAP3、IAP4和 IAP 5种类型 [ 12 ]。这种蛋白最初是用
p35基因缺陷型的 AcMNPV病毒与苹果小卷蛾颗粒
体病毒 ( cydia pomonella granulosis virus, CpGV)及黄
杉毒蛾 (orgyia p seudotsugata) 核型多角体病毒基因
库 ,在 Sf2细胞中进行功能互补实验时发现的 ,分别
称为 Ac2 IAP, Cp2 IAP和 Op2 IAP。后来 ,人们在贪
草地夜蛾 ( spodop tera frugiperda, MNPV ) ,美国白蛾
核型多角体 ( hyphantria cunea, GV ) , 棉铃虫核型多
角体病毒 ( helicoverpa arm igera single nucleocap sid
nucleopolyhedrovirus, HaSNPV )和油桐尺蠖核型多
角体 ( buzura supp ressaria guenee, GV)中也发现这种
抗凋亡蛋白 IAP 。通过序列对比 Op2 IAP与 Cp2
IAP间有 58%的同源性 ,而 Op2IAP与 Ac2 IAP之间
的同源性仅有 28%。
IAP基因起始密码子 ATG上游有杆状病毒晚期基
因转录起始部位特异性序列 (ATAAG) , IAP基因编码
由 268个氨基酸组成的多肽 ,相对分子质量为 30 kD。
IAP基因中的 C端有一个称作 R ING的锌指结构 ,具有
C3HC4基元序列 ,即 CX2 CX11 CXHX3 CX2 CX7 ～8 CPXCR
(X可为任意一种氨基酸 ) , R ING由一系列保守的金属
连接氨基酸残基 (C3HC4)构成的 ,它们可配位结合两
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生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 6期
个锌离子 [13 ]。终止密码子之后有两个 AATAAA多腺
苷化信号肽。
此外 ,在杆状病毒 IA P基因的 N端含有两个串
联重复 GX2 YX4 DX3 CX2 CX6WX9 HX6 ～10 C,该重复
序列称为 B IR (Baculovirus IAP repeat) 基元结构。
B IR是 IA P基因的特征性结构 ,它包含 4～5个α螺
旋和 1个三链折叠结构 ,这个三链折叠结构带有 1
个与保守的半胱氨酸残基和组氨酸残基配位结合的
锌离子 [ 14 ]。B IR折叠也能分成两半 , N端一半包含
两个α螺旋和一个保守的精氨酸残基 ; C端一半包
含 1个锌离子 ,与 3个半胱氨酸残基和 1个组氨酸
残基配位结合 , C端一半的近起始处是保守的甘氨
酸残基 [ 15 ]。
研究人员用 AcMNPV的 p35基因突变体感染
Sf221细胞 ,可以导致细胞的凋亡 ;而用 Op2IA P基因
与 AcMNPV p35基因突变体 vAcAnh共转染细胞系
时 ,同时能够抑制由 P35突变体感染 Sf221细胞诱
导的凋亡 ,说明 IAP与 p35基因具有相似的功能。
关于杆状病毒 IAP抑制细胞凋亡的作用机制 , 从已
取得的一些研究成果表明 , IAP一般是通过结合前
体 Caspase21 (p ro2Caspase21)抑制它的活性 ,从而阻
抑细胞凋亡的启动。由于 IAP具有与 R ING锌指结
构域相关的泛素连接酶活性 ,它可以与细胞凋亡蛋
白作用 ,通过对靶蛋白的泛素化作用使其被蛋白酶
体降解。
3　p49基因结构与功能
p49是新近发现的一种凋亡抑制基因。Du
等 [ 16 ]经过研究发现 ,凋亡抑制蛋白 P49是莲纹夜蛾
核形多角体病毒 ( Spodop tera littoralis multicap sid nu2
cleopolyhedrovirus, Sp liMNPV ) 基因 p49 表达的产
物。另外 ,在斜纹夜蛾核多角体病毒 ( Spodop tera li2
tura multicap sid nucleopolyhedrovirus, Sp ltMNPV )中
也有该基因的报导。
p49基因位于 p35上游 ,被认为是 p35的同源基
因 ,两者的编码产物在 N端和 C端具有相当高的同
源性 [ 17, 18 ]。该基因长 1 341 bp,预计编码 447个氨
基酸 ,分子量约为 48 kD。根据计算机模拟的 P49
蛋白分子立体结构模型显示 , P49蛋白的内部中心
结构由 8个β折叠组成 ,横跨在中心结构上面的是
由 17个氨基酸 (67位 H is～83位 Pha)组成的α螺
旋 ,凸出于 P49蛋白中心结构外面的一个大环状结
构由 21个氨基酸 (84位 A sn～104位 Ser)形成 ,这
类水溶性的外突环结构非常适合半胱天冬酶对其识
别与切割。
经过研究发现 P49蛋白 91～95位的氨基酸序
列是 91 TVTDG95 ,这段序列是凋亡蛋白酶作用底物的
酶切位点 [ 19 ]。经定点突变技术诱变所得到的 P49
蛋白突变体 P49D94A,在体内体外均失去了原有的
功能。因此 , P49蛋白第 94位天冬氨酸 (D )是 P49
蛋白行使凋亡抑制的必需功能区。野生型 P49蛋白
与半胱天冬酶作用后产生 10和 40 kD 2个片段 ,而
P49D94A不被半胱天冬酶切割 ,说明 P49蛋白发挥
活性与半胱天冬酶相关联 ,半胱天冬酶与 P49蛋白
相互作用后在 94位氨基酸处将其切开。
P49蛋白在病毒感染的早、晚期均可表达 ,表达
后可被感染细胞的半胱天冬酶识别与切割 ,从而抑
制了半胱天冬酶的活性。 p49基因对细胞凋亡也具
有广谱的抑制作用 , P49蛋白不仅可以抑制昆虫体
内半胱天冬酶活性 ,也可抑制人半胱天冬酶 3的活
性 [ 20 ] ,这两种半胱天冬酶执行死亡功能。
4　三者的联系
IAP是较早发现的一类抗凋亡蛋白 ,它主要通
过阻断 p ro2sf2Caspase21的活化来达到抑制凋亡的
目的。研究人员以果蝇离体细胞 DL21为研究对象 ,
发现 Op2 IAP可以有效地阻止因 RPR (Reaper)的超
表达引发的凋亡。果蝇细胞中有 RPR, H ID , doom
和 Grim凋亡诱导物 ,这些诱导物一旦过表达就会激
活体内的半胱天冬酶 , 包括 p ro2sf2Caspase21 和
D rICE (一种效应半胱天冬酶 )。然而 , Op2 IAP会与
这些诱导物的 N端一个保守的氨基酸集簇结合 ,抑
制这些诱导物的加工和激活。
P35蛋白含有一个反应位点环 RSL ( reactive site
loop) , RSL在酶促反应中被半胱天冬酶切割成两条
多肽 ,与半胱天冬酶形成一个稳定的抑制复合体 ,抑
制半胱天冬酶活性。
P49是新近发现的凋亡抑制蛋白 ,与 P35蛋白
具有较高的同源 [ 14, 15 ] ,序列分析表明 P49与 P35的
C端和 N端具有很高的同源性 ( 46%以上 )。在推
导的 P49蛋白 91～95处有一个与 P35类似的半胱
天冬酶作用保守基序 (D2G序列 ) ,是半胱天冬酶的
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2009年第 6期 舒端阳等 :杆状病毒凋亡抑制基因
酶切位点 (图 1)。
图 1　P35和 P49蛋白一级结构的比较 [ 21]
所不同的是 p35基因作用于效应半胱天冬酶 ,
而 P49往往作用于凋亡反应级联中的上游 ,通过酶
解反应使起始半胱天冬酶失活。杆状病毒凋亡抑制
基因对细胞凋亡的调控是一个非常复杂的过程 ,一
般来说 P49主要作用于起始半胱天冬酶 e, P35作用
于下游的效应半胱天冬酶 ,而 IAP主要通过与前体
半胱天冬酶结合达到凋亡抑制作用 (图 2)。
图 2　凋亡抑制基因作用路径 [ 21]
杆状病毒在感染寄主后往往只启动一个凋亡抑
制基因来实现抗凋亡的目的 ,其余的抗凋亡基因都
处于不转录 ,不表达的状态 [ 22, 23 ] ,例如苜蓿银纹夜
蛾核型多角体病毒 (AcMNPV )中有 p35 和 IA P基
因 ,但病毒在感染寄主后仅是启动 p35基因而使后
者处于沉默状态 ;某些核型多角体病毒含有多种
IAP基因蛋白 ,但在执行抗凋亡功能时往往只是会
利用某一特定基因。因此查明杆状病毒抗凋亡基因
的协调和调控 ,对于研究凋亡机制具有重要意义。
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