全 文 ：埃博拉病毒( EBOV)蛋白的最新研究进展
林彬
(中山大学生命科学学院生物化学系,广州 510275)
摘 要: 埃博拉病毒( EBOV)是一种高致死性的病毒, 在其 RNA 编码的 7 种蛋白中, 糖蛋白 GP、基质蛋白
VP40 以及膜蛋白 VP24 在病毒粒子的装配、出芽以及致病过程中起着关键的作用。详细介绍了这三种蛋白的结
构、功能以及作用机制的最新研究进展, 并对 EBOV 蛋白的研究前景作出了展望。
关键词: 埃博拉病毒( EBOV) GP VP40 VP24
The Latest Progress on Ebola Virus Protein
Lin Bin
( Biochemist ry Depar tment , School of L if e Sc ienc e, S un Yatsen Unive rsi ty , Guang z hou 510275)
Abstract: Ebo la virus is a highlethalit y virus found in A frica. Its membraneasso ciated pro teins containing
GP, VP40 and VP24 play key ro les in the pathogenesis, assembly and budding of the viron. In the rev iew we empha
size to int roduce the latest pr og ress o f these thr ee pro teins on their str uctures, functions and pathogenesis. A lso w e
will make a pro spect to the r esear ch o f Ebola virus pr oteins.
Key words: Ebo la v irus( EBOV) GP VP40 VP24
埃博拉病毒( Ebola virus, EBOV )是一种无节
段的单股负链 RNA 病毒,属于丝状病毒科( Filov i
ridae)埃博拉样病毒属( Ebolal ik e vir uses ) ,是一种
能够引发脊椎动物,特别是灵长类动物产生出血热
症状的高危性致死性病毒。从形态来看, EBOV 大
多数呈丝状, 也有呈杆状的, 直径约为 70~ 90nm,
但没有固定的长度。
EBOV首先是于 1976年在中非国家苏丹( Su
dan)发现的, 那次埃博拉出血热的爆发导致了 284
人感染,其中 151 人死亡。几乎与此同时, 埃博拉
出血热在扎伊尔( Zaire) (现在的刚果民主共和国)
流行起来,导致 318人感染, 其中 280人死亡, 致死
率高达 88% ,埃博拉病毒就是以扎伊尔西北部的一
条小河 埃博拉河的名字命名的。EBOV 主要
是在非洲肆虐, 在美国也有发现感染 EBOV 的个
案,就在最近的 2003年, 埃博拉出血热又在刚果爆
发,导致 127人死亡。
根据发现地点的不同将目前所发现的 EBOV
分为 4 个亚型: 苏丹埃博拉病毒( Sudan E bolav ir
us, SEBOV ) , 扎伊尔埃博拉病毒( Zair e E bolav ir
us, ZEBOV) ,莱斯顿埃博拉病毒( R eston E bolav ir
us, REBOV )和科特迪瓦埃博拉病毒( Coted I v or ie
E bolavi r us , CEBOV)
[ 1]
, 而不同亚型的 EBOV 毒
力也不尽相同,其对人的毒力强弱比较为: ZEBOV
> SEBOV> CEBOV> REBOV [ 2]。
EBOV 的 RNA 基因组可编码 7种蛋白,即 3
NPVP35V P40 GP/ sGPVP30V P24L5 , 其中
NP 为毒粒的核衣壳蛋白; VP30 为病毒结构蛋白,
与病毒的转录过程有关; L 是一种 RNA 聚合酶;
VP35不仅在 RNA 的合成中起到不可替代的作用,
而且还可以抑制型干扰素; GP 为 型跨膜蛋白;
VP24为小型膜蛋白; VP40则是与毒粒内膜相关
的基质蛋白。研究表明, 正是后三种与膜相偶联的
蛋白( GP, VP40和 VP24) , 在 EBOV 的毒粒装配、
出芽以及致病过程中起到了相当关键的作用。可以
说,对这三种蛋白的研究将会大大促进 EBOV致病
收稿日期: 20050308
作者简介:林彬( 1983 ) ,男,中山大学生命科学学院生物化学系, Email: l sslb@163. com Tel: 02084036324
生物技术通报
综述与专论 BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2005年第 5期
机理的最终阐明和加速 EBOV疫苗的研发过程。因
此,下面我们将重点介绍 GP, VP40 和 VP24这三种
EBOV蛋白的研究进展。
1 EBOV GP/ sGP的研究进展
EBOV GP( gly coprotein)是 EBOV侵染宿主过
程中起着重要作用的跨膜糖蛋白, 它主要是与宿主
细胞的受体结合从而使病毒侵入宿主细胞。GP 的
相应基因由两个可读框( open reading f rame) ORF1
和 ORF2组成,分别编码 GP 的两个亚单位 GP1和
GP2,而 GP1和 GP2由一个二硫键连接。在翻译过
程结束后, GP前体将会被一种称为 furin蛋白的蛋
白酶切割为 GP1 和 GP2两个片断, 已经证明, EB
OV GP 的切割过程是病毒入侵宿主所必需的。另
外, EBOV GP1的分泌很可能会导致翻译后 GP1与
GP2两个亚单位的分离。Takada A.和 Kaw aoka Y.
( 2001)比较了 ZEBOV 和 REBOV 的 GP, 发现 RE
BOV GP 上 furin的识别位点比 ZEBOV GP 上的识
别位点要少的多[ 3] , 这可能是 REBOV 毒株的毒力
要比 ZEBOV 毒株的毒力弱的原因。
Gallaher 对 EBOV GP 深入研究后提出了一个
假说,认为 GP2作为 EBOV 跨膜蛋白中具有融合功
能的亚基, 其结构中可能含有一种内融合肽( inner
fusion pept ides, IFPs) , 这种 IFPs能够帮助 GP 插
入宿主细胞的膜中[ 4]。对 IFPs 结构的分析显示,
IFPs可分为两个肽段,由一段转角( tur n)序列和一
个环( loop)连接。在这个转角或者环中往往含有一
个或多个脯氨酸残基,据推测,这种结构应该是 IFPs
具有融合功能的基础。Mara J. Gmara 等的实验
证实,在 GP 氨基酸序列的第 533和 537位置对脯氨
酸残基进行替换会破坏 GP 的功能。有趣的是, 如
果在第 533 位置用精氨酸来代替脯氨酸, 会导致
GP2不能成熟; 而若在 537 位置用精氨酸来代替脯
氨酸,则会使 GP2的活性丧失,但并不影响 GP 其他
亚基的功能 [ 5]。也有科学家预测, EBOV 的 IFPs序
列会破坏含有磷脂酰肌醇的脂体小泡。
sGP 是由 GP 的 ORF1编码的一种可溶性糖蛋
白( soluble gly coprotein) ,也是一种非结构蛋白。有
研究表明, sGP 能够通过 CD16b(中性粒细胞 Fc
受体 的一种形式)与中性粒细胞结合并抑制其早
期活性,从而能够逃避免疫反应 [ 6] , 这就可以解释为
什么 EBOV 在病人体内迅速扩散但在病人机体中却
没有免疫反应了。由此我们可以推测, sGP 与宿主
免疫细胞的密切关系可能是其能逃避免疫反应的重
要原因。科学家们还发现, sGP 能够与中和抗体结
合以抑制抗 GP 抗血清的中和反应, 这可以解释当
感染发生时为什么在病人的血清里并没有检测到
GP 特异性抗体, 却发现了 EBOV 其他主要病毒蛋
白的抗体[ 7] 。
从目前的研究结果来看, EBOV GP 在毒粒表面
是以三聚体的形式存在的,并且能介导自身插入细
胞质膜中并以小泡的形式释放出来。虽然EBOV对
细胞的损伤机制还不是十分清楚, 推测可能是病毒
蛋白在细胞内或质膜中大量产生和堆积而严重干扰
了细胞自身的代谢循环, 以致细胞受到损伤或者凋
亡。但现在也发现, EBOV 中 GP 的表达与细胞毒
性的调控有着紧密的联系。GP 已被证明是人类
EBOV感染中内皮细胞毒性的决定因素。GP 不但
可以与细胞的整合素( integrins)结合从而诱导细胞
变圆和细胞分离,导致细胞病变 [ 8] , 还可以与上皮细
胞更加紧密的结合, 从而诱导上皮细胞的感染导致
其功能紊乱。Volchkov 等利用反向遗传系统 ( re
verse genet ic sy stem)创造了一株可以表达大量 GP
的 EBOV 重组体,发现 GP在内质网中大量堆积,导
致产生了与野生型相比更强的细胞毒性。这个结果
说明了由 GP 介导的细胞毒性是由转录编辑调控
的[ 9]。另外,近期的研究表明, 在实验室条件下 GP
N端的氨基酸序列能够抑制有丝分裂原刺激的淋巴
细胞增殖, 从而能够帮助 EBOV 逃避宿主的免疫反
应[ 10]。
2 EBOV VP40的研究进展
VP40是丝状病毒毒粒中含量最丰富的一类蛋
白,在丝状病毒的出芽过程中起着十分重要的作用。
VP40是由两个富含 折叠的结构相似的结构域组
成,而这两个结构域由 6 个氨基酸残基构成的桥
段连接[ 11]。VP40可以通过其 C 端与细胞膜紧密
结合,因此具有抵抗高盐度的特点。
相对于其他病毒蛋白来说, VP40最突出的特点
是能够发生寡聚化作用 ( olig omerzat ion)。Sciani
manico 等发现, 全长的 EBOV VP40 在与脂双层结
合后会发生自体寡聚化,并暴露出其 N 端结构域从
28 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2005年第 5期
而可与其他 VP40单体结合[ 12]。科学家已经分离出
了 EBOV VP40的六聚体和八聚体, 并发现无论是
VP40六聚体还是八聚体,其结构元件都是 VP40二
聚体。研究显示, EBOV VP40八聚体是一个环状结
构,由四个反平行的二聚体组成, 而二聚体在彼此连
接的地方形成 口袋状, 能与 RNA 的 5UGA3
序列结合, 从而使自身的结构更加稳定。Gomis
Ruth 等推测,这种 V P40 八聚体可能与毒粒的核衣
壳形成有关,还可能参与对毒粒 RNA 转录和翻译的
调控过程[ 3] 。VP40六聚体的结构与八聚体的相似,
也是环状结构, 同样能与核酸结合。
利用哺乳动物细胞表达的 EBOV VP40 能以与
膜结合的形式释放到培养基中,其中 VP40的 C 端
结构域在毒粒出芽过程中起着不可替代的作用。进
一步的研究表明, VP40中一种保守的模体 Late
domain,在毒粒的出芽过程中也起着非常重要的作
用。Late domain主要有三种形式: PTA P, PPXY和
YXXL。V P40的 PPXY 序列在其 N 端部分, 若对
PPXY序列的酪氨酸残基进行突变, 则会对出芽过
程造成一定的损害,但如果将 VP40 PTAP 序列的
头三个残基去除,则对出芽过程没有影响, 这说明与
PT AP 相比, PPXY 在介导出芽过程中有着更高的
效率[ 14] 。另外, Late domain可以在 VP40的不同部
位发挥相同的作用: 当把 EBOV VP40 N 端的 Late
domain去除而插入 C端后, 由 VP40介导的病毒样
颗粒( virus like part icles, VLPs)的释放活性不会发
生改变。
Late domain与细胞因子还可发生相互作用促
进其出芽过程。这些细胞因子包括泛素连接酶
Need4, T sg101以及 A P2 蛋白复合物等细胞蛋白。
其中 Need4 能与 PPXY 模体结合, T sg101 能与
PT AP 模体结合, 而 AP2蛋白复合物则能与 YXXL
模体结合。人的 Need4是由 4个富含脯氨酸的WW
结构域组成, 而其第三个WW 结构域对于与 VP40
结合是必需的。Timm ins 等发现, 只有 VP40 的寡
聚体才能与 Nedd4发生强烈的相互作用, 这似乎说
明了这种相互作用可能是在 VP40与细胞膜结合后
发生的[ 15] 。VP40 也可以与 T sg101 结合, 但与
Nedd4不同的是, Tsg101 与 V P40的单体和寡聚体
均能结合, 从而导致 VLPs 释放量的增加。Nedd4
是一种能够调控相关蛋白(如上皮纳通道, EnaC)在
细胞表面表达的泛素连接酶, 上皮纳通道能够使
PPXY模体直接与 N edd4的WW结构域作用, 从而
进行识别。Nedd4既能直接泛素化 VP40,又能泛素
化细胞表面与 V P40相关的宿主蛋白, 这对于 VLPs
的高效释放是至关重要的。
最近 Bavar i又发现, 脂筏( lipid raf ts)在 EBOV
的组装和出芽过程中能起作用。VP40的寡聚体能
与脂筏的微结构域( micr odomains)结合,而 VP40的
C端结构域在这种结合中起着关键作用[ 16] 。Pan
chal等发现 VP40的突变体能够抑制它与脂筏的偶
联从而减少毒粒的释放, 于是推测脂筏的定位对于
毒粒的高效释放是必需的 [ 17]。
目前认为 EBOV病毒颗粒的组装和出芽过程是
这样的: VP40 单体首先通过其 C 端与多囊泡体
( mult ivesicular bodies, MVB) 结合, 这种结合使
VP40的构像发生变化从而自体寡聚化。Nedd4与
VP40的 PPXY 模体结合后能够泛素化 VP40和邻
近的蛋白。Tsg101 与 ESCRT1 复合物结合后, 再
协同 ESCRT 复合物 和 ESCRT 复合物 与泛素
化了的 VP40MVB复合物结合, 然后一起被运送到
质膜。在质膜上, VP40MVB 复合物与一种病毒蛋
白三聚体结合, 并在 ESCRT 复合物诱导膜的外翻
作用下逐渐形成小泡, ESCRT 复合物还能促进成
熟毒粒的聚集, 最终导致毒粒的释放[ 14]。
3 VP24的研究进展
VP24在 EBOV 中是一种次级基质蛋白, 同时
也是毒粒的次要组成成分。它分布于细胞的质膜或
者核周区域,具有膜蛋白的所有性质,并能以与膜结
合的形式释放到细胞培养基中。目前在 ZEBOV 的
VP24的氨基酸序列中, 科学家发现了 3个 N 端连
接糖蛋白的潜在位点: 分别在氨基酸序列的第 84,
185和 246位置上,同时还发现了序列中存在着一段
富含疏水残基的区域: 90~ 130的氨基酸序列。在 3
个 N端连接糖蛋白的潜在位点中没有一个能被寡糖
修饰,表明 VP24 并不能被 N 端的寡糖修饰 [ 18] , 但
是现在尚不能确定 V P24 中是否含有 O 连接的寡
糖。目前已发现, VP24能够在哺乳动物细胞中寡聚
化,并且优先形成四聚体,在这一过程中, VP24的 N
端区域起着十分重要的作用。最近的研究表明,
292005年第 5期 林彬: 埃博拉病毒( EBOV)蛋白的最新研究进展
VP24很可能与脂筏紧密地结合在一起, 在 VP24的
172~ 175的氨基酸位置,发现了序列与Late domain
( YXXL)相一致的模体, 而且在 VLPs 中检测到了
VP24的存在,这表明 VP24很有可能在病毒的装配
和出芽过程中起到重要的作用。此外 Huang 等发
现, EBOV VP24与 NP、V P35等蛋白在毒粒的装配
过程中是不可缺少的[ 19]。因此, VP24 更加具体的
功能和生化特性还有待于进一步的研究。
目前, EBOV GP、VP40 和 VP24的神秘面纱正
被逐渐揭开,相关的 EBOV 的致病机理和装配出芽
过程也被不断更新的数据逐渐阐明, 这对于 EBOV
的预防、治疗以及疫苗的开发应该是一个重要的突
破口。在近一两年来, 已经陆续有研制出埃博拉病
毒疫苗的报道, 并且取得了不错的效果。因此,我们
有理由相信,在不远的将来, EBOV 这种曾令人闻风
丧胆的病毒终将会被人类征服!
参 考 文 献
1 Feldmann H, Jones S , Klenk HD, et al . Nature Review s, 2003,
3: 677~ 685.
2 杨涛. 国外医学病毒学分册, 2002, 9 ( 5) : 152~ 155.
3 T akada A, Kaw aoka Y. T rends in Micr obiology, 2001, 19( 10 ) :
506~ 511.
4 William R, Gal lah er. Cel l, 1996, 85: 477~ 478.
5 Gmara MJ, Mora P, M ingarro I, et al . FEBS Let ters, 2004,
569: 261~ 266.
6 Kindzelskii A, Yan g ZY, Nabel GJ, et al. J Imm unol, 2000, 164:
953~ 958.
7 Ito H, Watanabe S , T akada A, et al . J Virol, 2001, 75: 1576~
1580.
8 Takada A, Watanab e S, Ito H , et al. Vi rology, 2000, 278: 20~
26.
9 Volchk ov VE, Volch kova VA, M h lberger E, et al. Science,
2001, 291: 1965~ 1969.
10 ch epurn ov aa, T uzova MN, Ternovoy VA, et al. Immunun ol
Lett , 1999, 68: 257~ 261.
11 Den ssen A, Volchkov V, Dolnik O, et al. EMBO J, 2000, 19:
4228~ 4236.
12 S cianimanico S, S choehn G, T immins J , et al. EMBO J, 2000,
19: 6732~ 6741.
13 GomisRu th FX, Dess en A, T immin s J , et al . Camb, 2003,
11: 423~ 433.
14 J as enosky LD, Kaw aoka Y. Viru s Research, 2004, 106: 181~
188.
15 T immins J, Bos io CM, S choehn G, Koh lhaas C, et al. Vir olo
gy, 2003, 312: 359~ 368.
16 Bavari S, Biosio CM, W iegand E, et al. J Exp M ed, 2002, 195:
593~ 602.
17 p cnch al rg, ruthel g, k enny ta, et al . Proc Nat l Sci USA, 2003,
100: 15936~ 15941.
18 Han ZY, Xu L, Sun Y, et al. Journal of Virology, 2003, 77
( 3) : 1793~ 1800.
19 huan g y, xu l, sun y, et al. Mol Cell , 2002, 10: 307~ 316.
国外动态
美利用 津贺色杆菌防治农业害虫
AgBio tech Repo rter 2004年 21卷 1期 9页报道: 美国农业部农业研究署的科学家菲利斯 马丁及其同
事,最近发现利用 津贺色杆菌( Chromobacter ium sutt sug a) ,可以有效地防治目前美国最严重的农业害虫,
诸如马铃薯甲虫、玉米根叶甲、小菜蛾、银叶粉虱和喜绿蝽。据统计, 美国每年因这些害虫的危害而引起的作
物产量损失,以及为其支付的防治费用,共约 30亿美元。
科学家们已在实验室研究中发现, 津贺色杆菌产生的多种毒素能杀灭害虫。初步的田间试验结果也
证实了实验室试验。
目前,科学家们已将 津贺色杆菌结合化学农药, 施用于土壤、作物或种子。还将 津贺色杆菌毒素拌
入稻谷籽粒,制成胃毒性杀虫药,来毒杀土壤害虫。 汪开治
30 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2005年第 5期