李 杰， 趙淑玲

(揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 揚(yáng)州225100)

肌動(dòng)蛋白作為細(xì)胞骨架和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重要成分普遍存在于真核細(xì)胞中[1]。肌動(dòng)蛋白由375個(gè)氨基酸殘基組成，其分子質(zhì)量約為42 ku，在細(xì)胞中有兩種基本形式：單體的球狀肌動(dòng)蛋白(G-actin)和多聚體的絲狀肌動(dòng)蛋白(F-actin)[2]。F-actin為雙股螺旋，由G-actin聚合組裝而成，是真核細(xì)胞骨架中微絲的主要組分。在細(xì)胞內(nèi)，Actin纖維形成的微絲網(wǎng)絡(luò)主要包括含有肌球蛋白的收縮應(yīng)力纖維和位于質(zhì)膜下和細(xì)胞器周圍的皮質(zhì)肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)。另外，actin纖維也可以形成片狀的延伸結(jié)構(gòu)(如板足)、膜皺褶和氣泡、指狀的突起(如微絨毛和絲足)或點(diǎn)狀的足小體。Actin參與并調(diào)控細(xì)胞內(nèi)多種生理過程，包括維持細(xì)胞形態(tài)、感知環(huán)境力量、參與膜泡的內(nèi)化和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)等[3]。病毒作為一種專性活細(xì)胞內(nèi)寄生的微生物，在其識(shí)別、結(jié)合和進(jìn)入宿主的過程中涉及的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、內(nèi)吞攝取和細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等過程直接或間接依賴于細(xì)胞骨架[4]。主要介紹肌動(dòng)蛋白在病毒侵入、復(fù)制、釋放及細(xì)胞間擴(kuò)散過程中功能的研究進(jìn)展，以期為抗病毒研究提供理論依據(jù)。

1 肌動(dòng)蛋白與病毒進(jìn)入

病毒侵染細(xì)胞時(shí)首先與細(xì)胞表面結(jié)合，然后遷移到特定的位置，隨后穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞中。在這個(gè)過程中，病毒通常會(huì)遇到肌動(dòng)蛋白組裝的各種結(jié)構(gòu)，如絲足和微絨毛，并利用這些結(jié)構(gòu)有效地遷移到細(xì)胞膜上進(jìn)入宿主細(xì)胞。Lehmann等[5]發(fā)現(xiàn)病毒與絲足結(jié)合后，在進(jìn)入細(xì)胞前會(huì)誘導(dǎo)快速且高度有序的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，向細(xì)胞體滑動(dòng)(圖1)?；瑒?dòng)由肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架介導(dǎo)，依賴于功能性的肌球蛋白Ⅱ。病毒感染通常會(huì)改變細(xì)胞的常規(guī)功能，以支持病毒復(fù)制和新病毒粒子的產(chǎn)生。因?yàn)榧?xì)胞的形狀、運(yùn)動(dòng)、吞噬、細(xì)胞間通信等都依賴于肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的動(dòng)態(tài)重組，因此病毒常利用肌動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)重排來完成其感染和復(fù)制過程。細(xì)胞肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)的重排是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、快速的過程，由肌動(dòng)蛋白絲的連續(xù)組裝、拆卸和重新組裝驅(qū)動(dòng)[6]。Melamed等[7]發(fā)現(xiàn)肌動(dòng)蛋白重排對EB病毒(epstein barr virus，EBV)感染 B 細(xì)胞是必不可少的。EBV感染B細(xì)胞時(shí)，會(huì)刺激G-actin向F-actin的轉(zhuǎn)化，阻止G-actin向F-actin轉(zhuǎn)化抑制了EBV的增殖。此外，囊泡病毒(Ascovirus)進(jìn)入細(xì)胞時(shí)也會(huì)引起肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的重排[8]。在靜止的CD4 T淋巴細(xì)胞中，皮質(zhì)肌動(dòng)蛋白被認(rèn)為是病毒進(jìn)入和核遷移的獨(dú)特物理屏障[9]。Yin等[10]發(fā)現(xiàn)人體免疫缺損病毒(human immunodeficiency virus，HIV)在與質(zhì)膜融合后，可調(diào)節(jié)α-輔肌動(dòng)蛋白介導(dǎo)的皮質(zhì)肌動(dòng)蛋白重排，為病毒進(jìn)入打開一個(gè)“通道”，從而有助于病毒進(jìn)入靜息CD4 T淋巴細(xì)胞。Roberts等[11]表明皰疹病毒(Herpesvirus)在進(jìn)入細(xì)胞時(shí)首先遇到宿主肌動(dòng)蛋白。位于質(zhì)膜胞質(zhì)側(cè)的皮質(zhì)肌動(dòng)蛋白是一個(gè)由F-actin組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過表面受體連接到細(xì)胞表面。在病毒感染的情況下，病毒粒子包膜蛋白與特定的宿主細(xì)胞受體結(jié)合，最終導(dǎo)致包膜和質(zhì)膜融合，從而進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中。

圖1 肌動(dòng)蛋白參與病毒侵染細(xì)胞(根據(jù)文獻(xiàn)[4]修改)Figure 1 Involvement of actin in virus entry (modified according to reference [4])

Trejo-Cerro等[12]發(fā)現(xiàn)Rho家族的兩個(gè)重要成員Cdc42和Rac1是輪狀病毒感染所必需的。Rho GTP酶屬于小G蛋白家族，廣泛存在于所有真核生物中，是肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的主要調(diào)節(jié)因子[13]。Rho GTP酶成員可將跨膜蛋白的分子信號傳遞到肌動(dòng)蛋白，作為肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架調(diào)控的分子開關(guān)，其中RhoA、Cdc42和Rac1是3個(gè)關(guān)鍵成員。Rac1和Cdc42蛋白在細(xì)胞膜突起形成過程中控制肌動(dòng)蛋白組織，Rac1促進(jìn)細(xì)胞表面周邊的肌動(dòng)蛋白聚合，產(chǎn)生片狀或?qū)訝钔黄?，而Cdc42調(diào)節(jié)纖毛的形成。RhoA促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白應(yīng)力纖維合成增加和與局部粘連相關(guān)的復(fù)合物的形成[14]。Xu等[15]發(fā)現(xiàn)乙型腦炎病毒(Japanese encephalitis virus，JEV)通過小窩蛋白1(Caveolin-1)介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)入人類神經(jīng)元細(xì)胞。內(nèi)吞作用依賴于RhoA和Rac1觸發(fā)的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架重塑。首先病毒誘導(dǎo)RhoA激活促進(jìn)小窩蛋白-1的磷酸化，然后磷酸化小窩蛋白-1激活Rac1，導(dǎo)致病毒在小窩蛋白1相關(guān)小泡內(nèi)的內(nèi)吞作用。除此之外，埃博拉病毒(ebola virus，EBOV)能夠與網(wǎng)格蛋白重鏈(CHC)共定位，通過網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞[16]。

2 肌動(dòng)蛋白與病毒復(fù)制

在感染宿主細(xì)胞的過程中，病毒首先附著在宿主細(xì)胞膜上，進(jìn)而進(jìn)入細(xì)胞，然后病毒基因組轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)或核質(zhì)中，進(jìn)行病毒基因組的復(fù)制和病毒蛋白質(zhì)的合成，最后病毒被轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)膜處釋放[17]。Ohkawa等[18]發(fā)現(xiàn)當(dāng)桿狀病毒(Baculovirus)進(jìn)入細(xì)胞后，會(huì)誘導(dǎo)形成細(xì)長的活性纖維，并與之結(jié)合，然后沿著這些纖維運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞核。Hirai等[19]發(fā)現(xiàn)抑制肌動(dòng)蛋白的核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)影響了博爾納病毒(borna disease virus，BoDV)在細(xì)胞核內(nèi)的復(fù)制。此外，抑制肌動(dòng)蛋白的核輸出促進(jìn)了病毒基質(zhì)蛋白在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的積累。研究發(fā)現(xiàn)，核肌動(dòng)蛋白與幾種在細(xì)胞核內(nèi)復(fù)制的DNA病毒之間存在關(guān)聯(lián)。Feierbach等[20]發(fā)現(xiàn)偽狂犬病病毒(pseudorabies virus，PRV)和1型單純皰疹病毒(herpes simplex virus type 1，HSV-1)感染可誘導(dǎo)核肌動(dòng)蛋白絲的形成。病毒衣殼蛋白VP26可與肌球蛋白Ⅴ共定位，表明病毒使用基于肌球蛋白的定向運(yùn)輸沿核肌動(dòng)蛋白絲傳播。研究也發(fā)現(xiàn)核肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白在腺病毒(Adenovirus)復(fù)制過程中起重要作用，腺病毒DNA在細(xì)胞核中復(fù)制時(shí)將肌動(dòng)蛋白以及肌球蛋白Ⅰ、Ⅴ和Ⅵ招募到病毒DNA復(fù)制的位點(diǎn)，從而促進(jìn)病毒的復(fù)制[21]。同時(shí)，病毒自身的蛋白也能隨著肌動(dòng)蛋白微絲進(jìn)行移動(dòng)，Cui等[22]發(fā)現(xiàn)煙草飼紋病毒(tobacco etch virus，TEV)的P3蛋白通過早期分泌途徑形成可移動(dòng)的包涵體，并沿肌動(dòng)蛋白微絲運(yùn)輸，最后與能誘導(dǎo)復(fù)制的病毒6K蛋白共定位。Burke等[23]發(fā)現(xiàn)除病毒基因組復(fù)制和轉(zhuǎn)錄外，任何一種主要細(xì)胞骨架成分的改變都會(huì)顯著影響呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus，RSV)生命周期的每一步。病毒到達(dá)其復(fù)制部位后與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的結(jié)合，促進(jìn)了子代病毒的復(fù)制和組裝。RSV依賴肌動(dòng)蛋白和肌動(dòng)蛋白單體結(jié)合蛋白刺激RSV聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性。另外，Kallewaard等[24]研究表明微管在產(chǎn)生RSV的過程中起主導(dǎo)作用，而肌動(dòng)蛋白絲對病毒從細(xì)胞內(nèi)釋放的影響更大。De Bishnu等[25]發(fā)現(xiàn)肌動(dòng)蛋白微絲在3型人副流感病毒(human parainfluenza virus type 3，HPIV3)生命周期中起著關(guān)鍵作用，特別是在病毒轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的水平上。免疫熒光標(biāo)記和共聚焦顯微鏡顯示，病毒核衣殼與肌動(dòng)蛋白微絲共定位，純化的病毒核衣殼蛋白特異性地與重組肌動(dòng)蛋白互作，激活mRNA合成。

3 肌動(dòng)蛋白與病毒釋放

病毒復(fù)制周期的最后階段是從受感染的宿主細(xì)胞釋放。Miranda-Saksena等[26]發(fā)現(xiàn)1型單純皰疹病毒(herpes simplex virus type 1，HSV-1)利用肌動(dòng)蛋白和微管進(jìn)入細(xì)胞時(shí)，在質(zhì)膜和軸突中進(jìn)行逆行運(yùn)輸，組裝和離開細(xì)胞時(shí)進(jìn)行順行運(yùn)輸。Charlton等[27]研究發(fā)現(xiàn)苜蓿銀紋夜蛾核型多角體病毒(Autographacalifornicanuclear polyhedrosis virus，AcMNPV)出芽型病毒粒子BV進(jìn)入細(xì)胞后立即誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)中的肌動(dòng)蛋白形成纜索結(jié)構(gòu)，介導(dǎo)病毒穿過核孔進(jìn)入細(xì)胞核中進(jìn)行復(fù)制。隨著病毒早期基因的表達(dá)，病毒感染引起宿主細(xì)胞肌動(dòng)蛋白構(gòu)象的再次變化，肌動(dòng)蛋白纜索結(jié)構(gòu)解體，F(xiàn)-actin在細(xì)胞膜附近聚集。AcMNPV具有將宿主G-actin組裝成F-actin的能力[28]。在病毒感染晚期，AcMNPV動(dòng)員核內(nèi)的肌動(dòng)蛋白以促進(jìn)病毒出核[29]。并且，肌動(dòng)蛋白聚合對病毒在出核時(shí)破壞核膜的完整性是必需的。在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，病毒利用肌動(dòng)蛋白移動(dòng)系統(tǒng)到達(dá)質(zhì)膜，進(jìn)而出芽。Wilkie等[30]發(fā)現(xiàn)核F-肌動(dòng)蛋白可促進(jìn)人巨細(xì)胞病毒(human cytomegalovirus，HCMV)向核周邊移動(dòng)，并促進(jìn)出核。

4 肌動(dòng)蛋白與病毒細(xì)胞間傳播

很多病毒利用宿主的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架來促進(jìn)它們在細(xì)胞間的傳播。如痘苗病毒(vaccinia virus，VV)感染導(dǎo)致宿主肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的重排，利用肌動(dòng)蛋白聚合作為驅(qū)動(dòng)力，在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間運(yùn)動(dòng)[31]。Humphries等[32]研究發(fā)現(xiàn)新組裝的痘苗病毒顆粒與質(zhì)膜融合，并通過誘導(dǎo)Arp2/3依賴的肌動(dòng)蛋白聚合來增強(qiáng)它們的傳播。ARP2/3復(fù)合物在肌動(dòng)蛋白的組裝中不可或缺，最主要功能是促進(jìn)肌動(dòng)蛋白聚合[33]。痘苗病毒通過病毒蛋白F11抑制RhoA信號傳導(dǎo)來調(diào)節(jié)皮質(zhì)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架形成的屏障，從而增強(qiáng)其釋放[34]。

Mehedi等[35]研究發(fā)現(xiàn)，呼吸道合胞病毒感染誘導(dǎo)細(xì)胞形成絲狀足，從而促進(jìn)了RSV的細(xì)胞間傳播。此外，El Najjar等[36]研究發(fā)現(xiàn)人偏肺病毒(human metapneumovirus，HMPV)可在感染細(xì)胞表面形成絲狀結(jié)構(gòu)，并刺激病毒結(jié)構(gòu)蛋白在細(xì)胞間延伸，這些結(jié)構(gòu)的形成依賴于肌動(dòng)蛋白的聚合和肌動(dòng)蛋白相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。另外，一些植物呼腸孤病毒利用由病毒蛋白形成的小管介導(dǎo)病毒粒子在昆蟲介體內(nèi)進(jìn)行病毒傳播。Chen等[37]發(fā)現(xiàn)與actin相連的原肌球調(diào)節(jié)蛋白能夠直接與水稻矮縮病毒(rice dwarf virus，RDV)Pns10小管相互作用參與病毒傳播，最終促進(jìn)病毒感染。RDV的非結(jié)構(gòu)蛋白Pns10是管狀結(jié)構(gòu)的主要成分，含病毒粒子的小管與肌動(dòng)蛋白絲結(jié)合，從感染細(xì)胞表面突出并穿透到鄰近細(xì)胞中。因此，認(rèn)為RDV利用Pns10形成的小管和肌動(dòng)蛋白形成的絲足在宿主昆蟲細(xì)胞間傳播[38]。

5 總結(jié)與展望

肌動(dòng)蛋白在真核細(xì)胞中起著至關(guān)重要的作用，細(xì)胞的形狀、運(yùn)動(dòng)、分裂、細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸和細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等都依賴于肌動(dòng)蛋白。此外，肌動(dòng)蛋白還參與許多病原微生物的侵染、復(fù)制等過程。病毒在侵染宿主細(xì)胞時(shí)，會(huì)破壞肌動(dòng)蛋白形成的細(xì)胞骨架，以促進(jìn)自身的生存、復(fù)制和傳播(表1)。

近年來，大量的研究發(fā)現(xiàn)病毒都有一套調(diào)控宿主細(xì)胞骨架的策略，對病毒與細(xì)胞骨架之間的研究不但在病毒感染機(jī)制方面，而且在細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)途徑方面都取得了進(jìn)展。通過研究病毒生命不同周期中與肌動(dòng)蛋白的相互作用，了解病毒感染如何利用宿主細(xì)胞骨架有助于對病毒致病機(jī)理的理解，從而限制或消除病毒傳播。重要的是，解析病毒與細(xì)胞骨架之間的分子相互作用機(jī)制，通過靶向與宿主細(xì)胞骨架相互作用或操縱宿主細(xì)胞骨架的病毒蛋白可能為抗病毒治療的發(fā)展提供重要的新靶點(diǎn)。