stringtranslate.com

Протонный канал М2

3D-модель вириона гриппа. (M2 обозначен белым цветом.)

Белок Matrix -2 (M2) представляет собой протон -селективный виропорин , являющийся неотъемлемой частью вирусной оболочки вируса гриппа А. Сам канал представляет собой гомотетрамер (состоит из четырех идентичных единиц M2), где единицы представляют собой спирали, стабилизированные двумя дисульфидными связями , и активируется при низком pH. Белок M2 кодируется на седьмом сегменте РНК вместе с белком M1 . Протонная проводимость белка M2 в гриппе А необходима для репликации вируса.

Вирусы гриппа B и C кодируют белки со схожей функцией, названные «BM2» и «CM2» соответственно. Они имеют мало общего с M2 на уровне последовательности, несмотря на схожую общую структуру и механизм. [1]

Структура

У вируса гриппа А белковая единица M2 состоит из трех белковых сегментов, включающих 97 аминокислотных остатков: (i) внеклеточный N-концевой домен (остатки 1–23); (ii) трансмембранный сегмент (TMS) (остатки 24–46); (iii) внутриклеточный C-концевой домен (остатки 47–97). TMS образует пору ионного канала. Важными остатками являются имидазол His37 (датчик pH) и индол Trp41 (ворота). [2] Этот домен является целью противогриппозных препаратов, амантадина и его этильного производного римантадина , а также, вероятно, метильного производного римантадина, адапромина . Первые 17 остатков цитоплазматического хвоста M2 образуют высококонсервативную амфипатическую спираль. [3]

Остатки амфипатической спирали (46–62) в цитоплазматическом хвосте играют роль в почковании и сборке вируса . Вирус гриппа использует эти амфипатические спирали в M2 для изменения кривизны мембраны в почковой шейке вируса холестерин-зависимым образом. [4] Остатки 70–77 цитоплазматического хвоста важны для связывания с M1 и для эффективного производства инфекционных вирусных частиц. Эта область также содержит домен связывания кавеолина (CBD). C-концевой конец канала простирается в петлю (остатки 47–50), которая соединяет трансмембранный домен с C-концевой амфипатической спиралью. (46–62). Были опубликованы две различные структуры высокого разрешения укороченных форм M2: кристаллическая структура мутировавшей формы трансмембранной области M2 (остатки 22–46) [5] , а также более длинная версия белка (остатки 18–60), содержащая трансмембранную область и сегмент С-концевого домена, изученная методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) [6] .

Две структуры также предполагают различные сайты связывания для класса адамантановых противогриппозных препаратов. Согласно кристаллической структуре с низким pH, одна молекула амантадина связывается в середине поры, окруженная остатками Val27, Ala30, Ser31 и Gly34. Напротив, структура ЯМР показала, что четыре молекулы римантадина связываются с липидом, обращенным к внешней поверхности поры, взаимодействуя с остатками Asp44 и Arg45. Однако недавняя структура твердотельной ЯМР-спектроскопии показывает, что канал M2 имеет два сайта связывания для амантадина, один сайт с высоким сродством находится в N-концевом просвете, а второй сайт с низким сродством на поверхности белка C-конца. [7]

Протонная проводимость и селективность

Ионный канал M2 обоих вирусов гриппа A высокоселективен для протонов. Канал активируется при низком pH и имеет низкую проводимость. [8] Остатки гистидина в положении 37 (His37) отвечают за эту селективность протонов и модуляцию pH. Когда His37 заменяется глицином, аланином, глутаминовой кислотой, серином или треонином, селективная активность протонов теряется, и мутант может также транспортировать ионы Na + и K + . Когда имидазольный буфер добавляется к клеткам, экспрессирующим мутантные белки, селективность ионов частично восстанавливается. [9]

Ачарья и др. предположили, что механизм проводимости включает обмен протонами между имидазольными фрагментами His37 M2 и водой, заключенной во внутренней части пучка M2. [10] Молекулы воды внутри поры образуют водородно-связанные сети или «водные провода» от входа в канал до His37. Карбонильные группы, выстилающие поры, хорошо расположены для стабилизации ионов гидроксония посредством взаимодействий второй оболочки с участием мостиковых молекул воды. Коллективное переключение ориентаций водородных связей может способствовать направленности потока протонов, поскольку His37 динамически протонируется и депротонируется в цикле проводимости. [11] Остатки His37 образуют коробчатую структуру, ограниченную с обеих сторон водными кластерами с хорошо упорядоченными атомами кислорода поблизости. Конформация белка, которая является промежуточной между структурами, ранее решенными при более высоком и более низком pH, предполагает механизм, с помощью которого конформационные изменения могут способствовать асимметричной диффузии через канал в присутствии протонного градиента. Более того, протоны, диффундирующие через канал, не обязательно должны быть локализованы в одном имидазоле His37, а вместо этого могут быть делокализованы по всему His-боксу и связанным с ним кластерам воды.

Функция

Белок канала M2 является важным компонентом вирусной оболочки из-за его способности образовывать высокоселективный, регулируемый pH, протон-проводящий канал. Протонный канал M2 поддерживает pH через вирусную оболочку во время проникновения в клетку и через транс-мембрану Гольджи инфицированных клеток во время созревания вируса. Когда вирус проникает в клетку-хозяина посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза , происходит эндосомальное закисление. Этот низкий pH активирует канал M2, который переносит протоны в ядро ​​вириона. Закисление внутренней части вируса приводит к ослаблению электростатического взаимодействия и приводит к диссоциации между комплексами M1 и вирусного рибонуклеопротеина (РНП). Последующее слияние мембран высвобождает непокрытые РНП в цитоплазму, которая импортируется в ядро ​​для начала репликации вируса.

После синтеза в инфицированной клетке-хозяине M2 встраивается в эндоплазматический ретикулум (ER) и транспортируется на поверхность клетки через транс-сеть Гольджи (TGN). В кислом TGN M2 транспортирует ионы H + из просвета и поддерживает метастабильную конфигурацию гемагглютинина (HA). [12] Было показано, что при локализации TGN активность ионного канала белка M2 эффективно активирует путь инфламмасомы NLRP3 . [13]

Другими важными функциями M2 являются его роль в формировании нитевидных штаммов гриппа, разрыве мембраны и высвобождении почкующегося вириона. M2 стабилизирует место почкования вируса, а мутации M2, которые препятствуют его связыванию с M1, могут нарушить образование нитей в месте почкования.

Реакция переноса

Обобщенная транспортная реакция, катализируемая каналом М2, выглядит следующим образом:

H + (вне) ⇌ H + (вне)

Торможение и сопротивление

Трансмембранный спиральный тетрамер белка M2 вируса гриппа А в комплексе с блокирующим канал препаратом амантадином (показан красным). Высококонсервативные остатки триптофана и гистидина, которые, как известно, играют ключевую роль в опосредовании протонного транспорта , показаны в виде палочек. Из PDB : 3C9J ​. [14]

Препарат против вируса гриппа, амантадин , является специфическим блокатором канала M2 H + . Препарат связывается и закупоривает центральную пору. [14] В присутствии амантадина вирусное разоблачение и разборка являются неполными. [15] Мутации, придающие устойчивость к препаратам адамантана , включая амантадин и римантадин , происходят в трансмембранной области и широко распространены. Подавляющее большинство резистентных вирусов несут мутацию S 31 N. [16] Устойчивость к адамантанам среди циркулирующих вирусов гриппа А различается в зависимости от региона, но во всем мире значительно возросла с начала 2000-х годов. [16] [17] CDC США опубликовал информацию о том, что большинство циркулирующих штаммов теперь устойчивы к двум доступным препаратам, и по состоянию на июнь 2021 года их использование не рекомендуется. [18]

Белки M2 вирусов гриппа B и C

Вирусы гриппа B и C кодируют вирионные белки с похожей функцией трансдукции протонов, названные «BM2» и «CM2» соответственно. Они имеют мало общего с M2 на уровне последовательности, несмотря на схожую общую структуру и механизм. [1] [19]

БМ2

Белок M2 гриппа B имеет длину 109 остатков, является гомотетрамером и функциональным гомологом белка гриппа A. Между AM2 и BM2 гриппа практически нет гомологии последовательностей, за исключением мотива последовательности HXXXW в TMS, который необходим для функционирования канала. Его профиль pH протонной проводимости аналогичен профилю AM2. Однако активность канала BM2 выше, чем у AM2, и активность BM2 полностью нечувствительна к амантадину и римантадину. [1] Структура канала гриппа B при разрешениях 1,4–1,5 Å, опубликованная в 2020 году, показала, что механизм открытия канала отличается от механизма открытия канала гриппа A. [20]

СМ2

CM2 может играть роль в упаковке генома в вирионах. [21] CM2 регулирует внутриклеточный pH и способен заменить M2 гриппа A в этом качестве. [22]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Pielak RM, Chou JJ (февраль 2011 г.). «Протонные каналы гриппа М2». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1808 (2): 522–9. дои : 10.1016/j.bbamem.2010.04.015. ПМК  3108042 . ПМИД  20451491.
  2. ^ Tang Y, Zaitseva F, Lamb RA, Pinto LH (октябрь 2002 г.). «Ворота протонного канала вируса гриппа M2 образованы одним остатком триптофана». Журнал биологической химии . 277 (42): 39880–6. doi : 10.1074/jbc.M206582200 . PMID  12183461.
  3. ^ Холсингер Л.Дж., Ничани Д., Пинто Л.Х., Лэмб Р.А. (март 1994 г.). «Белок ионного канала М2 вируса гриппа А: структурно-функциональный анализ». Журнал вирусологии . 68 (3): 1551–63. дои : 10.1128/JVI.68.3.1551-1563.1994. ПМК 236612 . ПМИД  7508997. 
  4. ^ Россман Дж. С., Джинг Х., Лезер Г. П., Лэмб РА (сентябрь 2010 г.). «Белок вируса гриппа М2 опосредует независимое от ESCRT расщепление мембраны». Cell . 142 (6): 902–13. doi :10.1016/j.cell.2010.08.029. PMC 3059587 . PMID  20850012. 
  5. ^ Стоуффер А.Л., Ачарья Р., Салом Д., Левин А.С., Ди Костанцо Л., Сото К.С., Терешко В., Нанда В., Стейрук С., ДеГрадо В.Ф. (январь 2008 г.). «Структурные основы функционирования и ингибирования протонного канала вируса гриппа». Природа . 451 (7178): 596–9. Бибкод : 2008Natur.451..596S. дои : 10.1038/nature06528. ПМЦ 3889492 . ПМИД  18235504. 
  6. ^ Schnell JR, Chou JJ (январь 2008 г.). «Структура и механизм протонного канала M2 вируса гриппа A». Nature . 451 (7178): 591–5. Bibcode :2008Natur.451..591S. doi :10.1038/nature06531. PMC 3108054 . PMID  18235503. 
  7. ^ Cady SD, Schmidt-Rohr K, Wang J, Soto CS, Degrado WF, Hong M (февраль 2010 г.). «Структура сайта связывания амантадина протонных каналов гриппа M2 в липидных бислоях». Nature . 463 (7281): 689–92. Bibcode :2010Natur.463..689C. doi :10.1038/nature08722. PMC 2818718 . PMID  20130653. 
  8. ^ Mould JA, Li HC, Dudlak CS, Lear JD, Pekosz A, Lamb RA, Pinto LH (март 2000 г.). «Механизм протонной проводимости ионного канала M(2) вируса гриппа A». Журнал биологической химии . 275 (12): 8592–9. doi : 10.1074/jbc.275.12.8592 . PMID  10722698.
  9. ^ Venkataraman P, Lamb RA, Pinto LH (июнь 2005 г.). «Химическое спасение мутантов фильтра селективности гистидина ионного канала M2 вируса гриппа A». Журнал биологической химии . 280 (22): 21463–72. doi : 10.1074/jbc.M412406200 . PMID  15784624.
  10. ^ Acharya R, Carnevale V, Fiorin G, Levine BG, Polishchuk AL, Balannik V, Samish I, Lamb RA, Pinto LH, DeGrado WF, Klein ML (август 2010 г.). «Структура и механизм транспорта протонов через трансмембранный тетрамерный белок M2 вируса гриппа A». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (34): 15075–80. Bibcode : 2010PNAS..10715075A. doi : 10.1073/pnas.1007071107 . PMC 2930543. PMID  20689043 . 
  11. ^ Thomaston JL, Alfonso-Prieto M, Woldeyes RA, Fraser JS, Klein ML, Fiorin G, DeGrado WF (ноябрь 2015 г.). «Высокоразрешающие структуры канала M2 вируса гриппа A выявляют динамические пути стабилизации и трансдукции протонов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (46): 14260–5. Bibcode : 2015PNAS..11214260T. doi : 10.1073/pnas.1518493112 . PMC 4655559. PMID  26578770 . 
  12. ^ Sakaguchi T, Leser GP, Lamb RA (май 1996). «Активность ионного канала белка вируса гриппа M2 влияет на транспорт через аппарат Гольджи». The Journal of Cell Biology . 133 (4): 733–47. doi :10.1083/jcb.133.4.733. PMC 2120830 . PMID  8666660. 
  13. ^ Ичинохе Т., Панг И.К., Ивасаки А. (май 2010 г.). «Вирус гриппа активирует воспалительные процессы через внутриклеточный ионный канал М2». Природная иммунология . 11 (5): 404–10. дои : 10.1038/ni.1861. ПМЦ 2857582 . ПМИД  20383149. 
  14. ^ ab Thomaston JL, Alfonso-Prieto M, Woldeyes RA, Fraser JS, Klein ML, Fiorin G, DeGrado WF (ноябрь 2015 г.). «Высокоразрешающие структуры канала M2 вируса гриппа A выявляют динамические пути стабилизации и трансдукции протонов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (46): 14260–5. Bibcode : 2015PNAS..11214260T. doi : 10.1073/pnas.1518493112 . PMC 4655559. PMID  26578770 . 
  15. ^ Greber UF, Singh I, Helenius A (февраль 1994). "Механизмы снятия оболочки вируса" (PDF) . Trends in Microbiology . 2 (2): 52–6. doi :10.1016/0966-842X(94)90126-0. PMID  8162442.
  16. ^ ab Dong G, Peng C, Luo J, Wang C, Han L, Wu B и др. (2015-03-13). "Адамантанорезистентные вирусы гриппа А в мире (1902-2013): частота и распределение мутаций гена M2". PLOS ONE . ​​10 (3): e0119115. Bibcode :2015PLoSO..1019115D. doi : 10.1371/journal.pone.0119115 . PMC 4358984 . PMID  25768797. 
  17. ^ Deyde VM, Xu X, Bright RA, Shaw M, Smith CB, Zhang Y и др. (июль 2007 г.). «Наблюдение за устойчивостью к адамантанам среди вирусов гриппа A(H3N2) и A(H1N1), выделенных по всему миру». Журнал инфекционных заболеваний . 196 (2): 249–57. doi : 10.1086/518936 . PMID  17570112.
  18. ^ "Противовирусные препараты от гриппа: резюме для врачей". Центры по контролю и профилактике заболеваний . 6 мая 2021 г. Получено 14 июня 2021 г.
  19. ^ Кукол А., Аркин ИТ. (февраль 2000 г.). «Структура трансмембранного домена белка CM2 вируса гриппа С, полученная с помощью сайт-специфического инфракрасного дихроизма и поиска глобальной молекулярной динамики». Журнал биологической химии . 275 (6): 4225–9. doi : 10.1074/jbc.275.6.4225 . PMID  10660588.
  20. ^ Mandala VS, Loftis AR, Shcherbakov AA, Pentelute BL, Hong M (февраль 2020 г.). «Атомные структуры закрытого и открытого протонного канала M2 гриппа B раскрывают механизм проводимости». Nature Structural & Molecular Biology . 27 (2): 160–167. doi :10.1038/s41594-019-0371-2. PMC 7641042 . PMID  32015551. S2CID  211017938. 
  21. ^ Фурукава Т., Мураки Ю., Нода Т., Такашита Э., Шо Р., Сугавара К., Мацузаки Ю., Симотаи Ю., Хонго С. (февраль 2011 г.). «Роль белка CM2 в цикле репликации вируса гриппа С». Журнал вирусологии . 85 (3): 1322–9. дои : 10.1128/JVI.01367-10 . ПМК 3020500 . ПМИД  21106743. 
  22. ^ Stewart SM, Pekosz A (январь 2012 г.). «Белок CM2 вируса гриппа C может изменять внутриклеточный pH, а его трансмембранный домен может заменять белок M2 вируса гриппа A и поддерживать производство инфекционного вируса». Journal of Virology . 86 (2): 1277–81. doi :10.1128/JVI.05681-11. PMC 3255851 . PMID  21917958. 

Внешние ссылки