具有广泛抗病毒活性的SAMHD1蛋白的研究进展

杨光文 张金阳 夏雪山

摘要：SAMHD1蛋白是2011年首次被认定为一种独特的天然抗病毒因子，它主要在树突状细胞、巨噬细胞等髓系细胞中表达。它通过降解细胞内dNTPs的水平，使细胞内的dNTPs的水平低于病毒复制所需的水平，从而抑制髓系细胞中反转录病毒和DNA病毒的复制。HIV-2产生的病毒蛋白X（Vpx）可将泛素连接酶与SAMHD1相结合，使SAMHD1分子最后被蛋白酶体降解。最近还发现SAMHD1蛋白活性受多种因子影响，具有调节肿瘤细胞中LINE-1活性的功能。结合最新研究成果对SAMHD1的结构、功能、抗病毒机制以及影响因子进行综述。

关键词：SAMHD1蛋白；HIV限制因子；影响因子；抗病毒机制

中图分类号：Q932

文献标识码：A

文章编号：1007-7847（2014）04-0367-05

人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiencyvirus，HIV）是人类获得性免疫缺陷综合症（ac-quired immunodeficiency syndrome，AIDS）的病原体。该病毒属于逆转录病毒科（Retroviridae）侵病毒属、灵长类免疫缺陷病毒亚属。1983年，法国巴斯德研究所的Montaginer和美国国家卫生研究院癌症研究所Gallo等首次证实HIV是艾滋病的病原体以来，该病毒已成为世界上最严重危害人类健康的病原体之一。1985年，在中国境内发现了首例艾滋病患者，其后HIV感染人数及（AIDS）患者逐年增加，并发展为全国流行。尽管最近艾滋病的流行已得到有效遏制，但“防艾”仍是我国亟待解决的医疗卫生与社会问题。在逾30年的研究历程中，全球研究者在HIV的发病机制、高效抗逆转录病毒疗法、病毒标志物的检测、机体免疫反应机制等方面都取得了显著成就，但仍没有开发出可彻底治愈艾滋病的药物和预防性疫苗。2011年，研究者在髓系细胞中发现了一种新型天然抗病毒因子-SAMHD1蛋白，具有独特的抗HIV病毒机制，并且对多种不同类别的病毒有确定限制作用。本文将对SAMHD1蛋白的最新研究进展作以下综述。

1SAMHD1蛋白的发现历程

人源SAMHD1蛋白由我国著名免疫学家曹雪涛院上在2000年首次在人树突细胞中发现，并于2009年确定该蛋白与人体自身免疫疾病AGS （aicardi-goutie'res syndrome）综合症相关。SAMHD1蛋白是人体自身免疫系统中的一部分，它的主要功能是监测细胞库核苷酸量的水平和清除髓系细胞内过多的核苷酸，从而减少机体的对核苷酸代谢障碍所产生的免疫反应。AGS疾病为Mgl1基因突变所致，是一种非常罕见遗传性自身免疫性疾病，机体产生大量的干扰素，激活机体非正常免疫反应，出现系统性的红斑狼疮自身免疫疾病，严重者还会出现脑萎缩并产生脑病相关的后遗症。该疾病主要原因是髓系细胞内缺乏内源性SAMHD1蛋白和细胞内核苷酸代谢失调，机体的非正常免疫反应被激活所造成。

2SAMHD1蛋白的结构和功能区域

SAMHD1蛋白是由不育α基序结构域（SAM域）和组氨酸/天冬氨酸残基（HD）结构域所组成。人的SAMHDI基因全长l878bp，626个氨基酸组成，由16个外显子翻译而成，SAMHD1蛋白相对分子质量为7.2xl04Da，等电点为7.0。SAMHD1蛋白是由N端的核酸定位信号（nuclear localizationsignal，NLS） KPPR，SAM区域（氨基酸残基44～108），HD区域（氨基酸残基163～355）和一个C端的多变区所组成（图1）。SAMHD1蛋白是一个核酸蛋白，通过N端（NLS）定位于细胞核；SAM区域参与蛋白与蛋白的相互作用，并与RNA的发卡结构相结合；HD区域由组氨酸和天冬氨酸交替的排列而组成（H…DH…D）的基序，具有磷酸水解酶活性；C端的多变区能与病毒蛋白X （viralprotein X，Vpx）的α螺旋结构域相互结合，诱导Vpx蛋白对自身的降解。Planelles等将HD残基中的组氨酸、天冬氨酸突变为丙氨酸，发现SAMHD1蛋白失去降解细胞中核苷酸（deoxynu-cleotide triphosphate，dNTPs）的活性。在U937细胞，HD区域突变导致SAMHD1蛋白对HIV的限制失败。Beloglazova等研究发现，SAMHD1蛋白3'～5'外切酶活性和脱氧鸟苷三磷酸酶活性受SAMHD1蛋白SAM区域的影响，SAM区域与HD区域相结合能发挥最大的核酸酶活性。

3SAMHD1蛋白抗病毒的广谱性及分子 机制

3.1SAMHD1蛋白的广谱性

SAMHD1蛋白是一种广谱抗反转录病毒（re-troviral）和抗DNA病毒的天然抗病毒因子。它不仅能抑制HIV-1病毒和Vpx缺陷的HIV-2病毒复制，还能抑制猫免疫缺陷病毒（feline immunode-ficiency virus，FIV）、猴免疫缺陷病毒（simian im-munodeficiency vlrus，SIV）、鼠白血病病毒（murineleukemia virus，MLV）、梅森辉瑞猴病毒（masonpfizer monkey virus，MPMV）和马传染性贫血病毒（equine infectious anemia virus，EIAV）等逆转录病毒在分化的髓系细胞中复制。最近研究发现SAMHD1蛋白同样可以抑制DNA病毒在分化的髓系细胞中的复制。SAMHD1蛋白具有抗逆转录病毒和抗DNA病毒的生物活性。

3.2SAMHD1蛋白抗逆转录病毒分子机制

逆转录病毒利用自身逆转录酶将病毒RNA模板反转录到DNA，整合到宿主细胞基因组中，在宿主酶和细胞器的参与下进行转录和翻译，最终组装成病毒颗粒。巨噬细胞和树突状细胞在先天免疫和适应性免疫对抗病毒的反应过程中具有重要作用，也是病毒早期感染与复制的主要场所。SAMHDI蛋白存在于髓系细胞，可降解髓系细胞中脱氧核苷三磷酸（dNTPs），将脱氧核苷三磷酸（dNTPs）水解成脱氧核苷（nucleosides，dNs）和无机的三磷酸（triphosphates，3P），使细胞内4种dNTPs浓度水平低于病毒反转录所需的dNTPs浓度水平（图3A）。被HIV-1感染的细胞，无法提供充足的病毒自身复制的材料-dNTPs，使病毒RNA逆转录为DNA的过程受到阻止，从而抑制病毒在细胞内的复制和对细胞的破坏。SAMHD1蛋白最后饿死骨髓系细胞中的病毒，Laguette称此过程为“核苷酸仓库耗竭”。最近Lahouassa等。研究显示，在细胞外重组的SAMHD1蛋白也能直接降解细胞内的4种dNTPs浓度，降低细胞内dNTPs水平，使分化髓系细胞不被病毒所感染，当移去体外重组的SAMHD1蛋白时，细胞可被病毒所感染。Laguette等则通过沉默SAMHD1基因表达或者提供外源脱氧核苷三磷酸，使细胞内4种dNTPs浓度水平提高，显著提高HIV-I病毒和缺陷Vpx蛋白的HIV-2病毒对分化骨髓系细胞的感染性。Amie等最近研究发现，SAMHD1蛋白是一种dGTPs依赖性的脱氧核苷三磷酸水解酶。在缺乏dGTPs的条件下，SAMFID1蛋白主要是以没有活性的单体和二聚体形式存在，当dGTPs存在时，SAMHD1蛋白以具有催化活性的四聚体形式存在。四聚体的SAMHD1蛋白能迅速水解单体的dGTPs，但是不能水解单体的dATPs、dTTPs和dCTPs，当4种dNTPs同时存在时，SAMHD1蛋白能同时水解4种dNTPs。dGTPs可能是SAMHDI蛋白的激活剂和优先底物。

3.3SAMHD1蛋白抗DNA病毒分子机制

DNA病毒与细胞表面受体结合，通过胞吞或膜融合的方式进入细胞，利用宿主细胞中的dNTPs与相关合成酶产生病毒DNA。牛痘病毒（Vacciniavirus）和I型单纯疱疹病毒（herpes simplex virustype l，HSV-1）都是典型双链DNA病毒，这两种病毒依赖宿主细胞提供dNTPs进行自身复制，SAMHD1蛋白同样能降解宿主细胞中dNTPs浓度，抑制DNA病毒对分化髓系细胞的感染与复制。然而，双链DNA病毒能编码核糖核苷酸还原酶（ri-bonucleotide reductase， RNR）和胸苷激酶（thymi-dine kinase，TK），具有dNTP生物合成功能，关键时候能为病毒DNA聚合酶提供必要底物（dNTPs）。Hollenbaugh等使用胸苷激酶和核糖核苷酸还原酶缺陷型的牛痘病毒感染非分裂髓系细胞，发现细胞中dNTPs浓度很低，缺陷型的牛痘病毒不能大量感染巨噬细胞。随后向培养的细胞中添加野生型牛痘病毒或者加入能降解SAMHD1蛋白的病毒蛋白Vpx，细胞中能检测到高浓度dNTPs，并且发现有更多的细胞感染牛痘病毒。通过RNA干扰技术沉默SAMHD1蛋白的表达，则使单纯疱疹病毒标志蛋白ICP-4和UL-27在THP-1细胞中大量表达，病毒载量大大提高。当细胞中dNTPs浓度很低时，低浓度的dNTPs就会激活核糖核苷酸还原酶和胸苷激酶的活性，从而启动dNTP生物合成机制，提高巨噬细胞中的dNTPs浓度，供病毒复制需要。

4病毒Vpx蛋白与SAMDH1蛋白相互作用

人类免疫缺陷病毒分为两种基因型HIV—1和HIV—2。HIV-2病毒能编码病毒辅助蛋白Vpx，HIV-1病毒不具备此功能。HIV-2所编码的辅助蛋白Vpx能介导E3泛素连接酶复合体降解SAMHD1蛋白，解除了髓系细胞对病毒感染的限制。辅助蛋白能调整病毒去对抗宿主的限制，使得病毒在宿主细胞中高效复制。含有vpx基因的HIV毒株与不含vpx基因的HIV毒株相比前者在髓系细胞中生长更快，引发的细胞病变也较强。

病毒辅助蛋白Vpx是一种核酸蛋白，由96个氨基酸形成的3个柔性的α螺旋结构（17～33、38～50、56～77）组成（图2），相对分子质量为14 kD。Vpx蛋白在细胞质和细胞核中均有分布，更多的偏向于细胞核内聚集。Vpx蛋白在细胞中与SAMHD1蛋白共存时，能特异性地结合SAMHD1蛋白，并通过Vpx蛋白α螺旋1与SAMHD1蛋白C端多变区31个氨基酸残基相结合，诱导SAMHD1蛋白的降解。SAMHD1蛋白被降解的过程为：病毒辅助蛋白Vpx的α螺旋1结构域与E3泛素连接酶复合体DDBl-CUL4A的亚单位DCAF1蛋白相结合，Vpx蛋白同时加载SAMHD1蛋白到E3泛素连接酶DDBl-CUL4A上，使SAMHD1蛋白泛素化，最终形成的复合物诱导SAMHD1蛋白的降解（图3B）。Vpx蛋白依赖蛋白酶体复合物去降解SAMHD1蛋白，蛋白酶抑制剂MG132能抑制E3泛素连接酶的活性，从而阻断Vpx介导的SAMHD1蛋白的降解。

5SAMDH1蛋白表达及影响因子

SAMHD1蛋白的表达与细胞分化状态相关，其在活化的CD+T细胞中几乎不表达，但在静息的CD+T细胞中高度表达，浓度相当于SAMHD1蛋白在髓系细胞中的表达量，可抑制HIV对静息CD+T细胞的感染与复制。

1L-12和IL-18有助于巨噬细胞中SAMHD1蛋白的表达。Pauls等在培养的单核细胞中加入IL-12和IL-18，可诱导单核细胞分化为巨噬细胞，在这种巨噬细胞中能检测到大量SAMHD1蛋白的表达，能抵抗HIV的感染，并且这种表达不依赖IFN-γ。Dragjin等研究发现，使用干扰素（IFN）刺激巨噬细胞和树突状细胞，同样可以使细胞中SAMHD1表达量增加；向培养髓系细胞中加入Vpx类病毒样颗粒，可以使SAMHD1蛋白细胞浓度降低，细胞中干扰素浓度升高。病毒感染诱导干扰素分泌增强及改变宿主免疫反应的过程中，SAMHD1蛋白可能是干扰素信号通路中的负调控因子，IL-12、IL-18和干扰素这些外在因素都有助于髓系细胞中SAMHD1蛋白的表达。另外，磷酸化的SAMHD1蛋白具有影响SAMHD1蛋白限制HIV-1复制的活性。Cribier等研究发现，细胞周期蛋白A2/CDKl与SAMHD1蛋白相互作用，蛋白A2/CDK1使SAMHD1蛋白592位氨基酸位点苏氨酸磷酸化，SAMHD1蛋白的Thr592磷酸化使SAMHD1蛋白失去限制HIV-1复制能力。此外，SAMHD1蛋白的Thr592磷酸化还受到type IIFN的调控，type I IFN能降低Thr592位点的磷酸化水平。说明SAMHD1蛋白的Thr592磷酸化是SAMHD1蛋白抗病毒活性的关键调控位点，同样这个点还受到type I IFN的调控。

6SAMHD1蛋白的重要细胞学新功能

反转座子（retrotransposon）是人类基因组的重要组成部分，占人类基因组的17%。反转座子是通过逆转录作用，以RNA为中介逆转录成DNA后进行转座。作为反转座子的LINE-1基因即长散布重复元件1 （long interspersed repeated ele-ment一l，LINE-1）与多种人类疾病密切相关，它编码两种蛋白，ORFlp蛋白和ORF2p蛋白，其中ORF2p蛋白主要介导LINE一1基因的反转录过程。在肿瘤细胞中和免疫性疾病患者体内，LINE-1基因都处于激活状态，正常的组织中LINE-1基因则处于沉默状态。于晓方等研究发现，SAMHD1蛋白能通过降低ORF2p蛋白表达水平，抑制LINE-1反转座子和ORF2p蛋白介导的Alu/Sva反转座子的转录活性。反转座子活性的降低，能够明显减缓肿瘤细胞的生长速度和影响肿瘤细胞的生命周期。缺陷性SAMHD1蛋白突变体或者通过RNA干扰技术沉默SAMHD1蛋白的表达，及向培养细胞中提供Vpx蛋白影响SAMHD1蛋白的活性，都能提高反转座子LINE-1的活性。这些都说明细胞因子SAMHD1蛋白能抑制LINE-1的活性。然而，SAMHD1蛋白抑制反转座子LINE-1的活性与抑制反转录病毒活性的机制显著不同，SAMHD1蛋白序列H167、H206、D207和D311位点氨基酸突变，592位点苏氨基酸磷酸化，HD残基的缺失都会直接导致SAMHD1蛋白dNTPase酶活性丧失，但根本不影响SAMHD1蛋白抑制反转座子LINE-1的活性。AGS患者中SAMHD1蛋白其抑制反转座子的能力不同程度的下降，提示反转座子活性和免疫疾病AGS之间的确存在较大相关性。SAMHD1蛋白具有的抑制反转座子生物活性，可能是哺乳动物SAMHD1蛋白参与宿主免疫调控的重要途径。

7SAMHD1蛋白未来的研究方向和应用前景

SAMHD1蛋白作为一种新发现独特的天然抗病毒限制因子，其独特性改变了整个领域对抗病毒限制性因子作用机制的认识，它不是通过干扰病毒与宿主受体的结合、抑制病毒的反转录酶活性、抑制病毒的增殖等方式，而是通过宿主体内的SAMHD1蛋白降解髓系细胞中的dNTPs，使髓系细胞中的dNTPs浓度低于病毒复制所需最低水平，从而切断病毒复制所需的原材料的供给。近一两年来有关SAMHD1蛋白的研究论文经常出现在《NATURE》、《CELL》等国际著名学术期刊上，充分说明该蛋白独特性受到科学家的重视和成为研究的热点。随着对SAMHD1蛋白研究的不断深入，未来将逐渐地了解SAMHD1蛋白在细胞中的分布、功能、调控机制和影响因子，人们将揭开SAMHDl蛋白抑制HIV病毒复制的神秘面纱。这可能为防治HIV及其他病毒性疾病提供理论依据，为新型抗病毒药物的开发和HIV疫苗研究提供新的方向。SAMHD1蛋白研究也可能对肿瘤的治疗开启一扇新的大门。