APOBEC家族的功能研究进展

吴小霞*

(琼台师范高等专科学校 数理系，海口 571100)

HIV-1(human immunode ciency virus type1)是逆转录病毒科慢病毒属的成员，可以在宿主细胞内利用病毒的逆转录酶将病毒 RNA反转录为 DNA［1］。HIV-1 编码的 7 个辅助蛋白(Tat、Tev、Rev、Nef、Vif、Vpr和Vpu)可在HIV-1病毒复制过程中起重要作用［1］。其中，HIV-1编码的Vif是一个含有SOCS框的蛋白，可操纵宿主E3-Cul5泛素连接酶系统，引起多聚泛素化［2］。

Sheehy等［3］在2002年7月发现了抑制病毒粒子HIV-1产生的因子，可保护哺乳动物不被反转录病毒感染，因来源于 CEM-SS细胞系，所以称为CEM15，也称为APOBEC3G(载脂蛋白B mRNA催化样多肽3G，简称 A3G)［3-4］。现已证明具有胞嘧啶脱氨酶活性的限制因子共11个［2，5-6］，称 为APOBEC家族，包括APOBEC-1(简称A1)，APOBEC-2(简 称 A2)，AID，APOBEC-3A(简 称 A3A)，APOBEC-3B(简称 A3B)，APOBEC-3C(简称 A3C)，APOBEC-3DE(简称 A3DE)，APOBEC-3G，APOBEC-3F(简称 A3F)，APOBEC-3H(简称 A3BH)和APOBEC4(简称A4)。APOBEC家族具有强大的抗病毒活性，是生物体内非常重要的胞内蛋白，也是生物体的先天防御者［1-7，9-19］。

近期的研究都证实A3也作用于与人类疾病相关的其他病毒，如 HTLV，HCV，HBV，HPV，HSV-1 及EBV［7］。尤其是乙肝已经成为影响全球约2.4亿人口的公共健康问题［8］。Liang Guoxin 等［9］发现 AID在TGF-β抗HBV功能中起重要作用，尽管TGF-β不是细胞内抑制HBV复制的决定因子。在人体有7个A3蛋白，其中6个可以编辑HBV的DNA，尽管人类的A1在体内的正常肝脏内不表达，但是人类的A1可编辑单链 DNA。M.C.Gonzalez等［10］利用极度敏感的3DPCR证实，A1与A3G一样可编辑HBV负链DNA。A3蛋白可通过一系列编辑依赖的或非编辑依赖的机制来抑制这些病毒的复制，现已证实APOBEC脱氨酶在对抗癌症发展的过程中也可能起到一定的作用。因此，掌握APOBEC在抵抗病毒感染产生免疫应答的作用及其在对抗人体疾病发展中的作用就显得极为重要［10］。

本文梳理了近年来关于APOBEC家族的功能研究进展，阐述了APOBEC家族成员的结构特征和生物功能，为继续研究APOBEC在人体免疫应答及对抗癌症中的作用奠定基础，也为进一步研究艾滋病等反转录病毒的防治和乙型病毒肝炎的防治等提供方法，同时使得利用增强A3功能的活性寻找抗病毒药物的发展成为新的思路。

1 结构特征

APOBEC家族所有成员在其酶活性中心，都有一个特别保守的胞嘧啶脱氨酶基序H-X-E-X23-28-PC-X-C(X 为任意氨基酸)［4，11］。人体表达的所有APOBEC酶在ssDNA或RNA的胞嘧啶脱氨基作用都已被报道过。A1、AID、A2、A3A、A3C、A3H 和 A4只有一个脱氨酶域，A3B、A3F、A3G和A3DE通过基因复制而进化出2个脱氨酶域。尽管双域的APOBEC蛋白的2个域都具有特定标记的胞嘧啶脱氨酶基序，但是A3G和A3F N-末端的催化域CD1被认为是没有催化活性的，而C-末端的催化域CD2有催化活性［3-4］，其主要功能是绑定DNA分子和RNA分子，现在被认为是包装A3F进入病毒所不可缺少的部分。CD与Zn离子合作，根据其结合特殊性，将A3分为A3Z1、A3Z2和A3Z3，A3蛋白以单体、二聚体和寡聚体的形式出现［12］。

2 APOBEC的生物功能

2.1 A1的生物功能

A1是第一个被发现的，也是迄今为止唯一被证明可使体内RNA脱氨基的人类APOBEC蛋白［3，6，11，13］，在 小 肠 表 达 并 编 辑 载 脂 蛋 白 B 的mRNA。A1脱掉了载脂蛋白B mRNA上一个特殊的胞嘧啶C6666的氨基酸，变成了U。载脂蛋白 B的mRNA被A1脱氨基后产生了一个早熟终止子，导致产生了一个具有不同功能的缩短的蛋白质。载脂蛋白在脂类代谢具有重要作用，而这两种蛋白质，apoB100(全长)和apoB48(缩短)被分别用来运输血液中的胆固醇和甘油三酯。除编辑mRNA之外，重组的A1还可以使体外的ssDNA脱氨基。

2.2 A2和A4的功能

A2和A4的生物作用目前还不清楚［13］。A2也称为ARCD-1，在人类和鼠中普遍表达，但表达水平较低，主要在心脏和骨骼肌表达。A2的脱氨酶活性似乎需要辅助因子或需要识别特殊底物，A2的生物功能和体内的底物仍有待判断。A4是通过生物信息学分析发现的，A4含有在其他APOBEC蛋白发现的保守氨基酸残基，说明A4或许也能使DNA或RNA底物发生脱氨基作用。尽管如此，A4还未在体内发现有表达［13］。

2.3 AID的生物功能

APOBEC蛋白在人体获得性免疫和固有免疫应答中起着重要作用。

AID在抗体成熟过程中参与2个生物途径:SHM(体细胞超突变)和 CSR(类别转换重组)［13-14］。AID在每个步骤都起关键作用。SHM是一个以Ig可变区VDJ为靶进行点突变的过程，VDJ编码抗体中与抗原联系的部分。突变增强了抗体对抗原的亲和力，可更有效地清除体内的抗原。极有可能的是，AID通过Ig基因VDJ区多个dC→dU突变，启动了SHM。AID脱氨酶活性的生化分析说明AID专门作用于ssDNA底物，并以SHM热点基序WRCY(体内发现的)为靶点。AID催化胞嘧啶脱氨基启动了易错的DNA修复机制，而这使得A和T碱基出现了额外的突变。CSR(类别转化重组)与Ig基因重组有关，将基因上的恒定区与其下游的进行置换，不同恒定区的表达产生了不同的抗体同型(如IgA和IgG)。多数人认为AID通过位于恒定区上游的可变区发生dC→dU突变，启动CSR。AID催化可变区的脱氨基作用导致双链DNA解开，而这却是恒定区交换所必需的［6，11］。

2.4 A3的生物功能

位于人类第22号染色体上的A3家族有7个成员［2，11］，在固有免疫应答中起重要作用。A3蛋白可抑制反转录病毒复制和反转录元件的移动，其中A3B、A3DE、A3F 和 A3G 可抑制 HIV-1 的复制［2］。A3A和A3C抑制带有或不带有长重复序列的内生反转座子的复制，而A3A专门抑制腺病毒有关的病毒复制［2］。

A3G可抑制Vif缺陷的HIV-1的复制。HIV-1表达的Vif蛋白可与A3G结合，引发A3G多聚泛素化，从而导致蛋白酶体降解，若无Vif，A3G可被包装进入出芽的HIV-1病毒粒子［6，13-15］。当这些粒子进入新的靶细胞时，A3G就会引发HIV-1负链cDNA上多个胞嘧啶脱氨基，使得前病毒失活，阻止病毒感染。不仅如此，已有研究发现，A3G还具有广谱抗逆转录病毒功能［6，14-15］。体外实验中发现，A3G 可降低鼠白血病病毒(murine leukermia virus，MLV)感染性［7，16］，可作为大肠杆菌 DNA 突变子诱发 dC→dU的脱氨基突变［15-16］，也可显著抑制乙肝病毒(hepatitis B virus，HBV)的复制。

A3F与A3G的编码区60个N-端氨基酸有59个是一样的［15，17］，启动子位置相似性超过 90%，与A3G相同，A3F已被证明在大肠杆菌突变试验和模式反转录病毒感染试验中有DNA编辑功能［16-17］。A3G和A3F的抗病病毒效果需要有效的进入HIV-1病毒粒子。若没有Vif，A3G和A3F进入病毒粒子需要RNA结合Gag的NC域，并且很多研究表明在Gag和A3G之间的联系中，RNA是需要的。有些研究也报道了有效的A3G包装需要病毒的基因组RNA，而另外一些则认为胞内RNA，尤其是7SLRNA对于介导AG和 A3F的包装是必需的。宿主的7SLRNA在HIV-1病毒粒子非常丰富，似乎在HIV-1病毒粒子尤其丰富。A3G和A3F与7SLRNA有很高的亲和力，而不同的A3蛋白与7SLRNA的亲和力对其抗病毒功能及精确的病毒核心定位是非常重要的［2］。

事实上，双脱氨酶域的APOBEC酶都可有效抑制HIV-1的复制，单脱氨酶域的A3蛋白抵抗HIV-1的功能较弱。A3B和A3F、A3G的CD1在与病毒RNA结合中起重要作用，是进入HIV-1病毒整合所必须的。事实上，当A3G的CD1与A3A的N-端融合产生的嵌合体可有效抑制HIV-1的感染，这也表明CD1的重要性［13，18］。CD2具有脱氨酶催化活性，也是抑制HIV-1复制所必须的。

A3H是唯一含有Z3 APOBEC脱氨酶域的蛋白。这个脱氨酶域在所有哺乳动物都是保守的，在灵长目动物进化中是正向选择的。在人类的外周血，单核细胞，肝脏、皮肤等组织均已检测到 A3H［2，19］。人类A3H具有7个 SNP，已检测出至少7个单倍型［2，19］。尽管对 A3H单倍型的抗病毒功能差异还不完全了解，目前已知，只有携带15N105R的A3H对Vif-缺陷的HIV-1具有强大的抵抗功能，人类A3H蛋白在细胞培养中表达很少，而它的抗病毒功能还未确定。A3H在细胞培养中很少表达［2］，是由于第5外显子上的早熟终止子，严重损害了mRNA的表达。一旦表达优化，人类A3H可以抑制HIV-1和SIV的复制。此外，其抗反转录病毒功能不能被HIV-1的Vif反击，这显示了人类A3H基因的独特的抗HIV功能。因此，A3H通过专门胞嘧啶脱氨基作用机制显著抑制HIV-1的复制，若优化A3H的体内表达水平应该也可成为一种治疗HIV-1的新对策。

3 结语

拥有胞嘧啶脱氨酶活性的APOBEC家族在获得性免疫和固有免疫中具有重要作用。A1在小肠表达并编辑载脂蛋白B的mRNA，AID在抗体成熟中的SHM(体细胞超突变)和CSR(类别转换重组)中起关键作用，A3酶可抑制反转录元件的移动，反转录病毒和DNA病毒的复制，如HIV-1，乙型肝炎病毒，A2和A4的功能目前还不清楚。对APOBEC家族的研究，为人类进行艾滋病等反转录病毒的防治和乙肝肝炎病毒的治疗等提出了新的治疗途径，也为未来攻克病毒性疾病带来了希望。

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