全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011年第 2期
杆状病毒凋亡抑制基因的研究进展
余倩
(仲恺农业工程学院,广州 510225)
摘 要: 杆状病毒 ( bacu lov irus)感染昆虫细胞能引起细胞凋亡,但在长期进化过程中, 杆状病毒可通过自身编码凋亡抑
制基因的表达, 抑制细胞凋亡以利于自己的增殖。目前在杆状病毒基因组中已发现两种不同类型的细胞凋亡抑制基因 p35 /
p49和 iap,这两类凋亡抑制基因分别作用于细胞凋亡途径的不同位点,以抑制细胞的凋亡。近年来人们对这两种基因的蛋白
结构及作用机制等方面进行了大量的研究,这些为今后研究昆虫细胞凋亡 ,扩大杆状病毒宿主范围等方面奠定了基础。
关键词: 杆状病毒 iap基因 p35基因 细胞凋亡 凋亡抑制基因
Research Progress of Antiapoptotic Genes from Baculovirus
Yu Q ian
(Zhongkai University of Agriculture and Eng ineering, Guangzhou 510225)
Abstrac:t Apoptos is is used by insects as one of the ho st de fense strateg ies aga inst v irus infection. Antiapoptotic pro te ins encoded
by v ira l g enom es p lay a key ro le in suppressing the apopto tic response. There are tw o types o f antiapopto tic genes on baculov irus ge-
nom e, p35 /p49 and iap. P35 and IAP prote ins can act on the d ifferen t po ints of apoptosis pa thway respective ly to suppress the ce ll ap-
optosis. Extensive studies have been focused on the struc ture and the function mechan ism o f the tw o antiapopto tic prote ins, the re lation-
sh ip between the two antiapoptotic prote ins and bacu lov irus, et a.l This rev iewed h ighlights the recent advances in the resea rches o f the
antiapop to tic genes and the ir pro te ins, and explores the possib le utilizations in the fu ture.
Key words: Bacu lov irus iap gene p35 gene Apoptosis Antiapoptotic gene
收稿日期: 2010-09-16
作者简介:余倩,女,讲师,博士,主要从事应用微生物研究; E-m ai:l yuq ianch ina@ 126. com
细胞凋亡是指在一定的生理或病理条件下,细
胞受内在遗传机制的控制, 自动结束生命的过程。
杆状病毒是一类节肢动物专一性的病毒, 它们的宿
主范围窄。最近的研究表明,细胞凋亡是限制杆状
病毒宿主范围的因素之一 [ 1 - 3 ]。但在长期进化过程
中,杆状病毒获得了凋亡抑制基因, 这些抗凋亡蛋
白能阻止昆虫细胞发生凋亡,使病毒能在凋亡细胞
中继续复制。目前, 在杆状病毒基因组中已发现两
种不同类型的细胞凋亡抑制基因 p35和 iap[ 4 ]。由
于 p49与 p35的核苷酸组成有高度的同源性, 普遍
认为 p49是 p35的同源物。这两类凋亡抑制基因分
别作用于细胞凋亡途径的不同位点, 以抑制细胞的
凋亡。近年来,人们对这两种基因的蛋白结构及作
用机制等方面进行了大量的研究, 通过对这两类基
因特性的深入研究, 了解阻断细胞凋亡的途径和分
子机制,使人们更好地理解细胞复杂的通路途径。
1 p35基因
p35基因最早发现于苜蓿银纹夜蛾的核型多角
体病毒 (Autographa californ ica NPV, AcMNPV )基因
组, 由于其电泳带为 35 kD, 故 P35蛋白也称为 35
K蛋白, 具有抑制病毒诱导的细胞凋亡和恢复病毒
复制能力的功能 [ 5]。
细胞凋亡是由多种信号诱导的一系列反应。
Caspase是一类天冬氨酰特异性的半胱氨酸蛋白酶,
简称胱解酶, 属于半胱氨酸蛋白酶家族 ( cyste ienine
proteases) ,是介导这些信号转导和实行细胞凋亡的
关键性物质,是引起细胞凋亡的直接效应物,也是细
胞凋亡过程的中心成分。P35通过抑制 Caspase的
活性而抑制细胞凋亡, Caspase需水解后才能被活化
而导致细胞的凋亡, 因此调节 Caspase酶原的活化
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过程对是否产生细胞凋亡起着关键性的作用。在体
内杆状病毒 P35蛋白能阻断该酶的活化, 其作用方
式是通过阻断 Caspase酶大亚基的断裂, 抑制其成
熟, 从而抑制细胞凋亡的发生 [ 6 ]。P35蛋白的晶体
结构 (图 1)显示, 它具有一个可抑制蛋白内切酶的
结构 [ 7]。 P35的晶体结构类似于一个茶壶,在它的
顶部有一个突环结构,突环上有 Caspase切割位点。
A cMNPV的细胞凋亡抑制基因 p35不仅可以抑
制寄主细胞、幼虫、蛹和成虫的细胞凋亡, 而且在除
昆虫以外的其他生物体内也同样具有抑制作用, 如
哺乳动物和线虫等。这表明, 从病毒、线虫到昆虫、
动物以至人的细胞凋亡机制都是高度保守的。
2 p49基因
p49基因是 Du等 [ 8]从海灰翅夜蛾核型多角体
病毒 ( Spodop tera littoralis multicapsid nuc leopolyhe-
drov irus, S lNPV )中分离到的一个新的凋亡抑制基
因。研究证明, 用带有 p49基因的表达质粒与 p35
基因缺失的重组病毒共转染昆虫细胞后,能抑制细胞
凋亡而使病毒成功感染。Yu等 [ 9]于 2005年通过体
外表达 Sp l-t p49基因的试验证明,该蛋白与 Sp l-i p49
功能相似,能抑制 vA cAnh诱导的 Sf 9细胞的凋亡。
研究发现, 在 S lNPV的 P49蛋白与 AcMNPV的
P35蛋白一级结构中,两种蛋白同源区氨基酸序列的
同源性为 50%,主要集中在两个区段, 即 N端的 210
个氨基酸, C端的 40个氨基酸, P49中近 170个氨基酸
在 P35中不存在,这段序列的功能尚需要进一步研究。
在 P49的 N端也存在一个类似于 P35的 DQMD87G序
列的 Caspase酶切位点的 TVTD94G序列,因而推测其
与 P35一样通过作为 Caspase的底物而竞争性抑制该
酶的活性,从而抑制细胞凋亡 [ 10, 11] (图 2)。
图 1 P35蛋白结构示意图
图 2 P49与 P35结构
体外试验结果表明, P49能抑制人启始 Caspase-
9, 在凋亡通路中推测其作用可能发生于启始
Caspase阶段,位于 P35抑制作用的上游。构建携带
单一凋亡抑制基因 p49、p35或 iap的重组病毒两两
组合共感染 S-f 21细胞, 进一步鉴定出这 3种凋亡抑
制基因在抑制病毒感染引起的细胞凋亡过程中发挥
作用的先后顺序 (图 3)。
3 iap基因
iap基因最先是用 p35基因 (另一类抗凋亡基
因 )缺陷型的苜蓿银纹夜蛾核多角体病毒 (Autogra-
pha californica multip le nucleopo lyhedrov irus, AcMN-
PV )病毒与苹果小卷蛾颗粒体病毒 ( Cyd ia pomonella
granulov irus, CpGV)及黄杉毒蛾 (Orgy ia p seudotsuga-
ta NPV, OpMNPV )核型多角体病毒基因组 DNA库,
在草地贪夜蛾 ( Spodop tera frug ip erda, Sf 2)细胞中进
行功能互补试验时发现的, 后来将其分别称为 Cp-
iap, Op-iap, 并证明其编码的 IAP蛋白具有抗凋亡的
活性 [ 12, 13 ] , IAP蛋白也因此而得名。而后陆续发现
IAP蛋白广泛存在生物界中, 除了杆状病毒, 在酵
母、昆虫、哺乳动物及人类等多种高等动物中都发现
其同源的蛋白,这说明 IAP蛋白在进化上的保守性
和重要性。
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2011年第 2期 余倩 :杆状病毒凋亡抑制基因的研究进展
图 3 杆状病毒诱导 S f21细胞凋亡通路
IAP蛋白包含两个特征性结构, 第一个是位于
N端的重复序列称为 BIR基序 (杆状病毒 IAP重复
序列 Baculovirus IAP repeats) ;第二个是位于 C-末端
的环锌指结构 ( R ING Z inc-f inger)。图 4为 IAP蛋
白结构示意图 [ 14] , 正是 IAP家族在结构上的多样
性,赋予了它们丰富的功能,为人们划分它们的亚组
提供了依据。
图 4 病毒 IAP蛋白结构示意图
IAP蛋白是一类金属蛋白, 它不是直接作用于
效应 Caspases而是阻断上游某种起始 Caspases的活
化或者直接干扰其活性,从而阻断细胞凋亡,因此其
作用位点应该在 P35的上游 [ 15]。 IAP 对不同的
Caspases表现出不同的活性, 即使是对相同的
Caspase其抑制活性也大不相同, 如 X IAP、cIAP-1、
cIAP-2都可抑制 Caspase-3、7,但能力却相差了几十
倍 [ 16 - 18] , 这可能是与 IAP不同的 B IR结构差异所
引起的。最先被发现的 IAP, Cp-IAP不单能抑制宿
主细胞的凋亡而且能够抑制哺乳动物的启始
Caspase-9, 但是不能抑制效应 Caspase-3、7[ 19]。而
OPIAP3能够抑制效应 S -f Caspase-1的前体阻止其
被切割活化, 却不能抑制被活化的 S-f C aspase-1, 但
是不像 OP-IAP那样能抑制 Caspase-9[ 20]。
杆状病毒 iap基因根据其同源性可分为 5大
类,即 iap-1、iap-2、iap-3、iap-4和 iap-5[ 21]。一种杆
状病毒往往含有几类 iap基因, 据目前研究往往只
有一个起到抗凋亡作用, iap基因的其他作用了解不
多, 对各个杆状病毒 iap基因的研究有利于揭示其
不同的作用, 且同源性高的杆状病毒 iap的功能也
可能相近。目前 iap的功能研究结果表明, iap-3类
中有许多抗凋亡功能, 包括最早发现的两个 iap基
因 ( Op- iap-3 和 Cp-iap-3 ) , A gMNPV iap-3 基因
等 [ 22]。 iap-3基因的序列比对结果也显示, 其非常
接近于细胞来源的 iap基因 [ 23]。ApNPV iap-1基因
被报道也有抗凋亡功能 [ 24]。有些杆状病毒 iap基
因能延迟凋亡,如 SlNPV的 iap-4基因 [ 25] , 而 CpGV
iap-5基因能刺激 Cp-iap-3基因的抑制凋亡能
力 [ 26]。在哺乳动物中,有报道称 iap基因与细胞骨
架及细胞分裂相关,而此类功能在杆状病毒中还没
有报道过。
目前 iap基因功能研究结果显示, 除一部分具
有抑制凋亡功能外,还有许多 iap基因无此功能, 如
Sp l-t IAP4不能挽救 vA cAnh感染诱导的 Sf 9细胞凋
亡 [ 27]。至今对于这些非抗凋亡功能的 iap基因功
能的研究并不多。这些被检测无抗凋亡功能的 iap
基因究竟起了什么作用,普遍认为,病毒不会保留它
们不需要的基因,所以这些基因存在有一定的原因。
有两种可能性:一是在现在未检测的宿主和组织中
这些非功能性的 iap基因可能有抑制凋亡作用; 二
是一些基因可能有与抑制凋亡无关的功能, 如一些
细胞内源性 iap基因在其他过程中起作用, 如细胞
分裂,信号转导等 [ 28 ]。还有研究表明, Sp l-t IAP4对
Sp ltNPV感染的 SpL-i221细胞聚集有一定作用 [ 29 ]。
4 结语
细胞凋亡抑制基因在杆状病毒抑制昆虫宿主细
胞凋亡中起了重要作用, 同时它也广泛存在于多种
生物中。近年来,凋亡抑制蛋白作用机制研究,凋亡
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 2期
抑制蛋白的功能研究等方面已成为热点, 这些为今
后研究昆虫细胞凋亡, 扩大杆状病毒宿主范围等方
面奠定了基础,也为凋亡通路的阐明提供理论依据。
参 考 文 献
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(责任编辑 马鑫 )
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