1.简介
冠状病毒属病毒目,是一种包膜阳性链RNA病毒,具有26-31kb的大基因组(Gorbalenya等。, 2006
). 它们包括人类和其他动物的重要病原体(Weiss和Navas Martin,2005
). 2002年至2003年,由新型冠状病毒引起的危及生命的非典型肺炎严重急性呼吸综合征(SARS)感染了数千人,死亡率为10%(世界卫生组织,2003年
). 自2003年以来,已报告了几种致死性较低的人类CoV,如HCoV-HKU1和HCoV-NL63(Fouchier等。, 2004
; 高热(Pyrc)等。, 2004
; 求爱等。, 2005
). 然而,2012年9月,中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)导致急性肺炎和随后的肾衰竭,死亡率为43%(世界卫生组织,2012年)
). 全基因组分析表明,SARS-CoV和MERS-CoV与蝙蝠CoV相似(Li等。, 2005
; 刘等。, 2005
; 扎基等。, 2012
). 这些发现强调了未来SARS或SARS样HCoV再次出现的可能性,这可能导致更致命的疫情爆发。因此,研究了解这些病毒并开发新型抗病毒抑制剂是必要和紧迫的。
冠状病毒非结构多蛋白(pp1a和pp1ab)被两种病毒半胱氨酸裂解蛋白酶:主要蛋白酶和木瓜蛋白酶样蛋白酶(PL赞成的意见; 酶代码EC3.4.22.46;棕褐色等。, 2005
). 这种处理被认为是合适的抗病毒靶点,因为它是病毒成熟所必需的。除了其蛋白水解活性外,PL赞成的意见也显示出显著的去泛素和去胰岛素化(ISG,干扰素刺激基因)活性,尽管它们的生理功能尚未完全阐明(巴雷托等。, 2005
; 林德纳等。, 2005
). 最近使用细胞分析的研究表明,SARS-CoV和小鼠肝炎病毒(MHV)损益赞成的意见能够去泛素化干扰素调节转录因子3(IRF3),这可以防止其核移位,从而拮抗I型干扰素的诱导(郑等。, 2008
; 克莱门茨等。, 2010
). 其他研究得出结论,SARS-CoV PL赞成的意见可以触发TGF-β1个生产通过泛素(Ub)蛋白酶体、p38 MAPK和ERK1/2介导的信号传导(Li等。, 2012
). 这些研究支持PL的多功能性质赞成的意见,尽管具体机制尚不清楚。
SARS-CoV PL赞成的意见pp1a蛋白(残基1541-1855)的nsp3结构域已经过结构表征(Ratia等。, 2006
). 前62个残基形成一个独立的泛素样(Ubl)结构域,而其他三个结构域,即手掌、拇指和手指结构域,构成一个右手样结构。这种拓扑结构类似于泛素特异性蛋白酶(USPs)是五个不同的去平衡蛋白酶(DUB)家族之一,尽管它们的序列同源性仅为10%(奈曼等。, 2005
; 拉蒂亚等。, 2006
). 催化三联体Cys112、His273和Asp287位于手掌和拇指区域。在手指结构域的指尖区域,有一个由四个半胱氨酸残基配位的锌离子。突变研究证实了催化三联体和锌结合基序在催化中的重要性(巴雷托等。, 2005
). 进一步的研究表明,在变性剂尿素的存在下,锌结合域可能在第一个转变过程中开始展开,并导致酶活性损失80%(Chou等。, 2012
). 已经证明PL赞成的意见可能显示出不同的畴结构稳定性和折叠时的熔融球状状态。此外,通过SARS-CoV PL对pp1a进行裂解赞成的意见已发现其非常严格,对底物P1(Gly)、P2(Gly-)、P4(Leu)和P6(疏水残基)位置具有选择性,并且在P1和P1′位置之间发生裂解(Han等。, 2005
). 尽管有大量关于冠状病毒PL的知识赞成的意见在缺乏底物络合物结构的情况下,对其催化作用的分子基础仍知之甚少。
这里,我们报告晶体结构SARS-CoV PL的赞成的意见与Ub单体复合的C112S突变体。该结构表明在催化裂缝内有一个明确的Ub核心结构域和一个Leu-Arg-Gly-Gly C-末端。这也证实了氧阴离子空穴和氢供体的位置。同样,结构和定点突变表明,在Ub核心识别中起重要作用的残基Glu168的突变可导致DUB活性的严重丧失。突变之一E168R,可用于模拟MERS-CoV PL赞成的意见的DUB活性显著下降。此外晶体结构还包含一个N个-环己基-2-胺基磺酸(CHES)分子靠近催化三联体,观察到其具有微弱的抑制作用。该结构为理解PL催化机理的分子基础提供了基础赞成的意见及其底物结合。
2.材料和方法
2.1. 蛋白质表达和纯化
SARS-CoV PL赞成的意见(多蛋白残基1541-1858)插入pET-22b(+)载体(Chou等。, 2012
)表示为大肠杆菌BL21(DE3)细胞(Novagen)。在构建过程中,去掉分泌物标签(pelB先导),并在C末端保留6×His标签。培养物在37°C的LB培养基中生长4 h,用0.4 m诱导M(M)异丙基β-D类-1-硫代吡喃半乳糖苷并在20°C下培养过夜。6000离心后克在4°C下保持15分钟,将细胞颗粒重新悬浮在裂解缓冲液中(20 mM(M)Tris pH值8.5,250 mM(M)氯化钠、5%甘油、0.2%Triton X-100、2 mM(M) β-巯基乙醇),然后通过超声波进行裂解。然后将粗提取物在12000下离心克在4°C下保持25分钟以除去不溶性沉淀。上清液与1 ml Ni–NTA珠在4°C下培养1 h,然后装入空柱中。让上清液流过后,用洗涤缓冲液(20 m)清洗珠子M(M)Tris pH值8.5,250 mM(M)氯化钠,8米M(M)咪唑,2米M(M) β-巯基乙醇),用洗脱缓冲液(20m)洗脱蛋白质M(M)Tris pH值8.5,30 mM(M)氯化钠,150米M(M)咪唑,2米M(M) β--巯基乙醇)。然后将蛋白质装入S-100凝胶过滤柱(GE Healthcare)中,并与流动缓冲液(20 m)进行平衡M(M)Tris pH 8.5,100米M(M)氯化钠,2米M(M)二硫苏糖醇)。通过SDS-PAGE分析收集的组分的纯度,并将蛋白质浓缩至40 mg ml−1使用Amicon Ultra-4 10 kDa离心过滤器(Millipore)。蛋白质的典型产量为每升细胞培养50毫克。
2.5. 定点突变和酶动力学分析
SARS-CoV PL突变体赞成的意见使用QuikChange试剂盒(Stratagene)生产,并通过DNA测序进行验证。这个酶活性PL的赞成的意见通过基于比色法的肽洗脱法测定,该法涉及6肽底物FRLKGG-对位-硝基苯胺(FG6-pNA;GL Biochem Ltd,中国上海)。该底物在Gly-pNA键处被裂解以释放游离pNA,这可以通过405nm处吸光度的增加进行监测。蛋白质水解释放的pNA量可以使用分析级pNA生成的标准曲线进行计算。蛋白酶活性测定在50 m范围内进行M(M)磷酸盐pH 7.4,温度为30°C。基质储备溶液在6米处配制M(M)工作浓度为0.5~5mM(M).野生型PL的浓度赞成的意见E168A、E168D、E168R和Y265F突变体为1µM(M)而L163Q、D165A和Y265A突变体的厚度为9µM(M)通过将初始速度数据拟合到Michaelis–Menten方程,获得稳态酶动力学参数。程序Sigma图12(美国加利福尼亚州里士满Systat Software Inc.)用于数据分析。
2.6. 去泛素分析
添加0.5µ的荧光底物泛素-7-氨基-4-三氟甲基香豆素(AFC;Boston Biochem Co.,USA)M(M)至50米M(M)pH 7.4的磷酸盐缓冲液和不同浓度的野生型PL赞成的意见或其突变体(0.17µM(M)对于野生型,L163Q、E168D和Y265F以及0.51µM(M)对于D165A,E168A、E168R和Y265A)用于氘化分析。在Perkin-Elmer LS 50B发光光谱仪中,通过分别在350 nm和485 nm的激发波长和发射波长下连续监测底物裂解后的荧光发射增加来测定30°C下的酶活性。
2.7. 抑制试验
对于抑制研究,0.5 mM(M)FG6-pNA和各种浓度的CHES(0-600 mM(M))与PL混合赞成的意见(0.4 µM(M))在30°C时,持续监测其活性。根据CHES的浓度绘制抑制反应的初始速度,以获得IC50值。
描述CHES和已知PL的相互作用赞成的意见抑制剂6-硫鸟嘌呤(6TG;Chou等。, 2008
)PL的活性赞成的意见在存在6TG(0–15µM(M))在各种CHES浓度下(0–200 mM(M)). FG6-pNA浓度保持在0.4 mM(M)酶的厚度为1µM(M)将多重抑制的数据拟合到方程中
哪里五是两种抑制剂存在时的初始速度,我和J型是两种抑制剂的浓度,五0是没有抑制剂时的速度,K(K)我和K(K)j个是两种抑制剂的表观离解常数α是两种抑制剂相互作用程度的量度(Yonetani&Theorell,1964
).
3.结果和讨论
3.4. PL的相互作用赞成的意见Ub C末端残留物
四个Ub C末端残基亮氨酸73-Arg74-Gly75-Gly76具有明确定义的电子密度,并且位于PL的窄活性位点通道中赞成的意见(图4
一和4
b条). 事实上,这四个残基很可能与底物的P4–P1残基相似。它们的主链原子与PL形成氢键相互作用网络赞成的意见,包括亮氨酸73–Asp165侧链,Arg74型-Tyr265侧链,Arg74型–Gly272,甘氨酸75–Gly164和甘氨酸76–Gly272和甘氨酸76与Trp107、C112S和Tyr113发生相互作用。此外,甘氨酸75(P2-mimicking)和甘氨酸76(P1-mimicking)位于由Asn110、Tyr113、Tyry274和Leu163组成的狭窄疏水腔中(图4
b条). 先前的研究已经证实Y274A突变体是非活性的(巴雷托等。, 2005
). 在这里,我们将Leu163突变为谷氨酰胺,发现K(K)米和k个猫与野生型PL相比,使用肽裂解法测定的L163Q突变值分别增加1.6倍和减少9倍赞成的意见(表2
). 突变还导致DUB活性降低80%。这些数据表明,除了悬浮在底物结合的活性位点之上之外,疏水性Leu163还可能有助于增强Cys112的亲核性(比率等。, 2006
).
与游离PL相比,BL2环中的残基Tyr269表现出显著的运动赞成的意见(补充图S5)。这导致了亮氨酸71(P6-模拟)与Tyr269和亮氨酸73(P4-mimicking)指向由残基Pro249、Tyr265和Tyr299组成的疏水囊(图4
一). 然而,与USP–Ub复合物(Renatus等。, 2006
)和预测损益赞成的意见–Ub绑定模型(Ratia等。, 2006
)的侧链胍基Arg72型(P5-mimicking)不与PL相互作用赞成的意见总之,我们的观察证实了SARS-CoV PL的底物特异性赞成的意见在P1、P2、P4和P6位置,这对最佳底物识别和切割很重要(Han等。, 2005
).
先前的研究预测,氧阴离子位于Trp107侧链和Cys112主链酰胺(Ratia等。, 2006
). 在当前结构中甘氨酸76末端显示羧酸基团(图4
b条). 的O原子之一甘氨酸76羧酸盐与C112S的主链酰胺和Trp107的吲哚N原子氢化键合,距离分别为2.84和2.79º,而另一个O原子靠近C112S侧链羟基(2.46º)和主链酰胺(3.02º)以及Tyr113的主链胺(2.96º;图4
一). 这两个O原子中,指向PL的赞成的意见在催化过程中作为氧负离子更具埋藏性和适用性。这表明主链酰胺类残基112和113可以形成氧阴离子孔。类似地甘氨酸76C112S的羟基表明它可能是一种低阻隔氢键,如在酶的非水活性位点(Cleland等。, 1998
). 与USP2–Ub复合物的活性部位相比,去质子SγCys原子亲核剂旋转120°并指向远离Ub甘氨酸76因为两个带负电荷的部分之间的静电斥力(Renatus等。, 2006
). 电荷排斥可能会破坏蛋白酶-配体复合物的稳定性。羟基和巯基之间的差异以及PL的较小Ub接触赞成的意见(见下文)能够解释为什么C112S突变体能够与Ub稳定结合,而野生型PL赞成的意见不能。
许多DUB的BL2环,如HAUSP、USP2和USP14,在催化中发挥调节作用(Hu等。, 2002
, 2005
; 雷纳特斯等。, 2006
). 这里,我们提供了BL2环构象的直接结构证据(β14–βPL的15回路)赞成的意见也受到底物结合的影响(图2
c(c)和补充图S5)。在有底物存在的情况下,BL2环中的残基Gly272与Arg74型(P3-微型)和甘氨酸76(P1-微型)(图4
一). 此外,该环中的另一个残基Tyr269与亮氨酸71(P6-模拟)和亮氨酸73(P4分钟)。所有这些相互作用使BL2环更接近Ub的C末端。另一方面,自由PL中的BL2闭环赞成的意见可能会使其处于非活动状态。一系列“BL2环”结合抑制剂,如GRL0617,其结合位点接近Asp165和Tyr274,已被证明通过IC使BL2环更加闭合500.3–0.6µM(M)(比率等。, 2008
; 高希等。, 2010
; 李等。, 2013
).