摘要：A型流感病毒是一种流行广泛且死亡率很高的病毒，对人类及动物都造成了极大的影响。M1蛋白作为维持A型流感病毒基本形态的蛋白，在其生命周期中起着重要作用，但其具体结构和功能仍有待探讨。对A型流感病毒的基本分子生物学特性进行了综述，并对其基质蛋白M1的生物学特性、功能和结构做了阐述。
关键词：A型流感病毒;M1蛋白;蛋白结构
流感病毒感染是每年都受到关注的主要的公共健康问题。A型流感病毒是一种能够引发较高死亡率的广泛流行的病毒。为了更好地预防并治疗流感病毒感染，对流感病毒的基本分子生物学特性有一个综合性的了解是非常关键的。许多囊膜病毒中都含有基质蛋白M1，作为一种主要的结构蛋白，其不仅能够维持病毒的基本结构，在调节基因组转录和复制活动中也起着重要作用。
1A型流感病毒的概述
正黏病毒是一类基因组为分节段、单股、负链RNA的病毒。目前正黏液病毒科可以分为五个属，其中三个属为流行性感冒病毒，分别是A型、B型及C型流行性感冒病毒，另外两个属是Isavirus病毒属和Thogotoviruses病毒属。在2009年，研究者基于序列分析提出了由Quaranfil、JohnstonAtoll、和LakeChad病毒组成的第六个有可能为正黏病毒的病毒属[1]。正黏病毒的宿主非常广泛。A型流感病毒可以感染包括人在内的多种哺乳动物及禽类，可以引起流感流行和大流行并引发大规模死亡;B型流感病毒能够感染人及海豹;而C型流感病毒能感染人及猪。索戈托病毒(属于Thogotoviruses病毒属)也可以感染人类，它通常是由壁虱来传播的[2];传染性鲑鱼贫血症病毒(属于Isavirus病毒属)可以感染大西洋鲑鱼及其他的鲑鱼种类。
A型流感病毒是流感流行和大流行的致病病毒，它是有包膜的单股负链RNA病毒。A型流感病毒有8条线性的单股RNA，编码12种病毒蛋白，包括PB1、PB2、PB1-F2、N40、PA、NP、HA、NA、NS1、NEP、M1和M2[3]。其中，第二条RNA编码3个蛋白，即聚合酶组成成分PB1、一个小的蛋白PB1-F2及一个PB1的N端截短片段N40。第七条RNA编码M1和M2，第八条RNA编码NS1和NEP，这都是通过mRNA的选择性剪接来实现的。
A型流感病毒有3个包膜蛋白，红细胞凝聚素HA、神经氨酸苷酶NA和基质蛋白2(M2)。它们都嵌入在病毒包膜的脂质双分子层中。这个脂质双分子层源于宿主的质膜，包括富含胆固醇的脂筏以及非脂筏。HA和NA蛋白更偏向与脂筏结合，而M2蛋白则没有这种偏好性。表面糖蛋白HA和NA主要负责调节病毒入侵细胞及从细胞中释放：HA通过结合宿主细胞的唾液酸受体来帮助病毒包膜与细胞质膜识别并促进膜融合。HA结合的效率与唾液酸的类型以及连接唾液酸残基与受体上的寡糖的分子键相关。感染人的流感病毒更倾向于结合含有α2，6键-N-乙酰神经氨酸的寡糖受体，而感染禽的流感病毒则更加倾向于结合那些含有α2，3键-N-乙酰神经氨酸的寡糖受体。这也解释了为什么禽流感不能引起基于人感染人的流感大流行。在病毒完成复制后，NA糖蛋白将唾液酸受体从宿主细胞膜上切割下来，从而释放子代病毒。M2蛋白是一个受到PH控制的质子通道。当内体酸化时M2被激活，将质子注入病毒内部，导致M1与核糖核蛋白(RNP)解离[4]。基质蛋白1(M1)在病毒包膜下形成一层蛋白层，并连接病毒的基因组。在M1蛋白层里面是八个被核蛋白NP包裹着形成双螺旋杆状结构的单股负链基因组RNA分子，也叫核糖核蛋白(RNP)复合物[5]。每一个RNP都与PB1、PB2、PA组成的异三聚体的RNA聚合酶相连。这三个聚合酶蛋白负责病毒RNAs的转录和复制[6]。某些A型流感病毒可以表达一种促凋亡蛋白PB1-F2，这种蛋白是由PB1基因上的一种可替代的开放阅读框编码的。NS基因可以通过选择性剪接编码两种非结构蛋白(NS1和NS2)。NS1蛋白能够抑制细胞mRNA的翻译并刺激病毒mRNA的翻译。而NS2(也被称为NEP，核输出蛋白)具有核输出信号，这个信号对于帮助新合成的核糖核蛋白从细胞核输出到细胞质中是很重要的。
在感染过程中，A型流感病毒是通过网格蛋白介导的内吞作用进入到宿主细胞的。通过HA蛋白介导的受体识别，病毒进入到细胞内形成内体。内体的酸性环境使HA蛋白的构象发生变化从而使得病毒和内体的膜融合。同时低pH的环境也会打开M2离子通道，导致质子大量涌入病毒粒子的内部。这使得核糖核蛋白RNPs与M1蛋白解离[4]，为其进入核内提供条件。流感病毒是少数在细胞核内复制的病毒之一。病毒RNPs通过主动运输进入到宿主细胞的细胞核中[7]。在细胞核内，原始感染病毒的RNPs是病毒mRNA合成的模板同时也是反基因链、互补RNA(cRNA)的模板。cRNA是指导合成新生病毒RNAs(vRNAs)的复制中间体。而转录产物也就是病毒的mRNA则是在细胞质中被翻译合成蛋白质。新合成的NP、PB1、PB2和PA蛋白被输入到核内为组装形成新的RNPs做准备[7]，M1和NEP蛋白也进入到核内帮助RNPs的输出[8]。为了帮助RNPs输出，M1连接RNPs与NEP，而NEP拥有一个核输出信号(NES)，便于RNPs运输到细胞质中[8]。在细胞质中，流感病毒的核糖核蛋白RNPs被运送到细胞质膜上，在这里，它们被选择性地包装到出芽的病毒粒子中[9]。
2A型流感病毒M1蛋白
许多囊膜病毒中都含有基质蛋白，包括副黏病毒、正黏病毒、疱疹病毒、逆转录病毒和脊髓灰质炎病毒。作为一种主要的结构蛋白，基质蛋白通常能够直接在病毒脂质膜的下方形成一层单层蛋白质基质。基质蛋白也被称为病毒装配的“适配器”，因为它们能够介导病毒包膜或糖蛋白的尾巴与病毒的核糖核蛋白(RNP)复合物之间的相互作用，从而促进病毒的基因组进入到新装配的病毒中。病毒的基质蛋白还能够通过加强结构的刚性为病毒的囊膜提供结构支持，并且有时候基质蛋白能够帮助调节或维持病毒的形状。除了它们在结构方面的作用，许多病毒的基质蛋白已经被证实能够调节基因组的转录与复制活动[10]。
正黏病毒家族所有的成员包括流感病毒A、B、C、索戈托病毒属及Isavirus都编码基质蛋白，并称为M1。在A型流感病毒中，M1蛋白是由基因片段7线性转录形成的。A型流感病毒的M1蛋白在该病毒的生命周期中起着十分重要的作用。首先，在病毒进入宿主细胞时，内涵体中的病毒内部发生酸化，减弱了病毒RNPs与M1蛋白之间的相互作用，RNPs被释放，并通过NP蛋白上的核定位信号进入到细胞核内为病毒的复制和转录做准备[11]。随着感染的进一步进行，当新合成的M1蛋白中的一部分进入到核内后，能够在细胞核内与新合成的RNPs结合，并介导它们的出核。根据“daisy-chain”模型，M1的C端区域与vRNP结合[12]，而M1的N端区域则是与NEP(也叫作NS2)的C端结合，NEP再通过它富含亮氨酸的核输出信号与细胞的输出蛋白Crm1以Ran·GTP依赖的方式相结合。这样就形成了一个大的复合体(Crm1-Ran·GTP)-NEP-M1-vRNP，这个复合体带着vRNP跨越核膜，最终来到装配的地方[13]。有研究表明，M1与vRNP在细胞核中的结合能够阻止mRNA的转录[12]。也有研究者认为M1与病毒包膜以及新组装的vRNP之间的相互作用能够提高病毒出芽的效率[14]。在细胞质中，M1能够与HA和NA的胞质尾区相互作用，从而促进M1与脂筏膜结合并随后引发M1聚合，帮助出芽病毒颗粒的延伸[15]。与膜结合的M1蛋白能够作为一个招募病毒RNPs的停靠点，同时也能够介导招募M2到病毒出芽的部位[16]。M1的序列变化与病毒形成丝状或者球状的病毒颗粒是相关的[17]。有报道称，单独表达M1能够介导病毒样颗粒(VLPs)的单个蛋白出芽，这说明M1是A型流感病毒装配和出芽的主要驱动力。而与此相矛盾的是，也有研究认为是HA和NA蛋白而不是M1蛋白对于病毒样颗粒的包装和出芽起着关键性的作用[18]。此外，在病毒粒子中，M1同时与质膜和形成RNP的NP相互作用[19]。
3A型流感病毒M1蛋白结构
A型流感病毒M1蛋白的结构已经被多个研究小组广泛地研究，但是到目前为止，只有其N末端片段的结构被解析出来[20-23]。根据Sha等[23]的报道，这个由约160个氨基酸残基组成的片段，包含了9个α螺旋。而在所有已有的4篇报道中，M1的N端结构域在本质上采用的是相同的折叠方式。溶液的pH在分子间的相互作用上起着一定的作用。在酸性环境中，M1呈现二聚体的状态，而在中性环境下则呈现的是单体的状态。虽然目前A型流感病毒的C末端结构域的原子结构尚未确定，但有研究预测其结构是富含α-螺旋的一个灵活的结构[24]。电子显微镜图像显示，在完整的A型流感病毒颗粒中，基质蛋白层是由杆状的M1蛋白单体作为基本的构建块。用电子断层扫描分析感染的流感病毒颗粒，结果显示，在酸性环境下，基质蛋白M1会发生构象的变化并从病毒的包膜上解离下来[25]。2017年有研究者解析了正黏病毒科传染性鲑鱼贫血症病毒(ISAV)的M1蛋白全长结构，从整体上更好地了解了正黏病毒M1蛋白的结构和功能[26]。尽管在序列上并不相似，ISAV-M1的N端结构域在结构上和FLUA-M1的确是很类似的，A型流感病毒M1蛋白N-domain的9个α-螺旋中有8个都可以与ISAV-M1N-domain的α-螺旋相对应匹配。虽然目前A型流感病毒M1蛋白的C端结构域的晶体结构还没有解析出来，但有些研究者预测它可能是由4个α-螺旋组成的结构[27]。FLUA-M1的C端结构域的这种充满α-螺旋的特征，也通过其他很多研究得到证实[20]。考虑到FLUA-M1与ISAV-M1在N-domain的结构上的相似性，以及预测FLUA-M1的C-domain结构中大部分是α-螺旋，可以推测这个蛋白的C-domain在结构上也是相似的。
4小结
近年来，关于A型流感病毒M1蛋白的功能及其在流感病毒生命周期中所起到的作用的相关研究逐渐增多，但仍存在争议。结构生物学是近代生物学发展过程中定量阐明生命现象的一门科学，能够通过物理学技术来研究生物大分子的功能和结构，从而阐明这些大分子相互作用中的机制及其关键作用位点。对A型流感病毒M1蛋白全长结构的解析就是研究其功能的一个很好的切入点，能够为进一步阐述A型流感病毒M1蛋白功能提供结构基础，也有助于为开发A型流感病毒新治疗靶点提供理论依据。研究者可以基于M1蛋白的结构采取相应的治疗手段，干扰病毒感染细胞的过程;也能够针对性地研发能阻碍M1蛋白自我聚合的化学分子，这种化学分子只要能够与M1蛋白的任意结构域相互作用，阻碍蛋白外壳的形成，就会是有效的手段。这将是未来研究的一个重要方向。
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