SARS冠状病毒S蛋白结构和功能分析

石磊，张其鹏，芮伟，卢铭
(北京大学医学部生物信息组 100083)
 
1.Background
冠状病毒(coronavirus)是一类宿主范围广泛的RNA病毒.病毒体成六角型状.组成病毒体衣壳的结构蛋白总共有4-5种.包括S protein(Spike
Fig 1.冠状病毒
protein),M protien(Membrane protein),E protein(small membrane protein),N protein(nucleoprotein),在某些冠状病毒中还有HE protein (hemagglutinin-esterase).其中Spike protein是成"棒棒糖"状的膜蛋白,它由两个domain组成.靠近N端的部分形成一个球状的domain,靠近C端的部分形成一个穿膜的棒状结构.对已知的冠状病毒的研究已经证明,Spike protein和冠状病毒侵入细胞的过程密切相关.Spike蛋白前体在宿主的细胞质中合成以后会被切成两个部分S1和S2(Fig 2.),其中S1形成成熟蛋白的球状部分,具体的切割位点并不清楚.一般情况下冠状病毒的侵染过程需要宿主细胞膜受体的介导.受体识别位点位于S1的内部.S2形成成熟蛋白的棒状部分,包括一个N helix,一个M Helix,一个C Helix和一个穿膜部分.S1和S2之间通过分子间作用力相互结合,结合位点可能有多个,Fig 2中的虚线表示了可能的结合.S2的穿膜部分用来把整个Spike蛋白固定在病毒外壳膜上,当S1通过受体结合位点和宿主细胞膜受体结合以后会导致S1和S2之间的分子间结合力减弱,S1和S2分离.暴露出S2上的3个helix,N Helix,M Helix和C Helix可以穿过宿主细胞膜,使得病毒外壳膜和宿主细胞膜发生融合.S1和S2之间结合力的强弱是影响冠状病毒倾染性强弱的重要因素之一.特殊情况下,如PH增高的时候,S1和S2之间的相互作用被削弱,在没有受体作用的情况S1和S2也能分离,S2进一步介导病毒和细胞的融合(Krueger et al., 2000).Spike蛋白的受体属于一个叫做carcinoembryonic antigen-cell adhesion molecules(CEACAMs)的多向性家族(pleiotropic family),这是一个包含很广泛的分子家族,在多种细胞中均有表达.
Fig 2.S1和S2蛋白
 
2.SARS病毒Putative Spike Protein的结构和功能分析
SARS病毒是一类新发现的冠状病毒.应用已经得到的SARS病毒全基因组序列,通过序列比对发现一个和鼠肝炎病毒mouse hepatitis viruses (MHVs)的surface projection glycoprotein高度同源的CDS,很有可能就是SARS病毒的Spike protein.我们对Putative spike protein进行序列分析,发现整个蛋白中可能有一个globular domain(详细结果参见这里),提示可能为Spike protein的S1部分.穿膜区预测发现在1197-1218(氨基酸编号,前体肽的N端第一位氨基酸为1)有一段穿膜序列,位于此段序列N端的肽段为膜外片断,C端的为膜内片断(具体结果参见这里),这里可能就是spik protein和病毒外壳膜结合的位置.
Fig 3.SARS Putative Spike Protein模式图
 
通过对二级结构的预测发现,在729-770,879-1016,1164-1185(图中的"?"表示位置不确定)分别有一个Helix区域,提示可能为S2中的N helix,M helix和C helix(详细结果参见这里),与病毒外壳膜和宿主细胞膜的融合有关.另外信号肽预测发现1-13可能为信号肽序列(详细结果参见这里).通过序列扫描也发现一些N端糖基化(N-glycosylation site),N端酰基化位点(N-myristoylation site),PKC磷酸化位点(Protein kinase C phosphorylation site),酪氨酸激酶磷酸化位点(Tyrosine kinase phosphorylation site)等motif(具体结果参见这里, JavaApplet显示请进这里).限于预测手段以及已有知识的缺乏,现在还不能确定S1和S2的切割位点,S1中的受体结合位点等.
 
参考文献:
1.Coronavirus Spike Proteins in Viral Entry and Pathogenesis
2.Variations in disparate regions of the murine coronavirus spike protein impact the initiation of membrane fusion
05/23/2003