Уповільнення вірусного циклу, запобігаючи злиття мембран, роль білків IFITM Planet-Vie
Сімейство білків IFITM (індукована інтерфероном трансмембрана, IFITM у цьому огляді) включає кілька білків, включаючи IFITM 1, 2 та 3, які є антивірусними факторами рестрикції, індукованими інтерферонами (IFN). IFITM пригнічують злиття мембран великої кількості вірусів, що обволікаються, у хребетних. На основі найсвіжіших даних наукової літератури в цьому огляді ми вивчаємо структуру та субклітинну локалізацію IFITM, механізми, за допомогою яких вони пригнічують злиття вірусів, стійкість певних вірусів до цих білків та їх значення in vivo в інфекційному контексті.
Віруси, що обволікаються, мають мембрану. На першій стадії свого інфекційного циклу вони потрапляють у клітини-мішені після злиття їх мембрани з клітинною мембраною. Це може бути плазматична мембрана або мембрана ендосоми або лізосоми, якщо вірус ендоцитозується клітиною-мішенню. Злиття мембран здійснюється вірусним білком, який називається злитим глікопротеїном. Потрапляючи всередину клітини, вірус реплікує свій геном і збирає нові вірусні частинки, які залишають клітину, окуліруючись.
Коли клітина заражена вірусом, або імунна система виявляє вірусну інфекцію, організм виробляє цитокіни, такі як інтерферони (ІФН), які попереджають здорові клітини про небезпеку зараження. Потім клітини, які отримують ці сигнали, починають експресувати фактори рестрикції, які є білками, що інгібують певні стадії інфекційного циклу одного або декількох вірусів. Фактори обмеження є одними з основних гравців вродженого імунітету, набору швидких, але неспецифічних реакцій на інфекції.
У 2009 році дослідження, спрямоване на виявлення факторів рестрикції, що беруть участь у захисті від вірусу грипу А (IAV, основного збудника, відповідального за грип), виявило, що все ще маловідомий білок IFITM3 (інтермерон-індукована трансмембрана 3) обмежує ранню стадія вірусного циклу у декількох типів клітин (Brass et al., 2009). Потім було показано, що на стадії йдеться про злиття вірусної мембрани, і що IFITM 1, 2 і 3, які є у всіх хребетних (Bailey et al., 2014), втручаються в інфекційний цикл. Велика кількість вірусів, що обволікаються (Лі та ін., 2013).
Lлокалізація та структура білків IFITM
IFITM - це трансмембранні білки. IFITM 2 і 3 містяться переважно в ендосомних і лізосомних мембранах, тоді як IFITM1 в основному міститься в плазматичній мембрані. IFITM синтезуються на мембрані ендоплазматичного ретикулума, потім їх олігомеризація та посттрансляційні модифікації викликають їх адресацію до плазматичної мембрани (John et al., 2013; Yount et al., 2012; Chesarino et al., 2014). Потім IFITM 2 і 3 направляються в ендосоми. Справді, IFITM3 має мотив 20-YXXF-231; фосфорилювання тирозину дозволяє розпізнати мотив за допомогою AP-2, адаптерного білка, який бере участь у клатрин-залежному ендоцитозі (Foster et al., 2016). N-кінцевий сегмент IFITM1 коротший, ніж IFITM 2 і 3, приблизно на 20 амінокислот і не має моделі адресації ендосом.
IFITM можуть зазнавати численних посттрансляційних дозрівань (табл. 1), які можуть модулювати їх олігомеризацію та активність, беручи участь у противірусному ефекті, або навпаки, сприяючи проникненню певних вірусів (Zhao et al., 2018; John et al., 2013; Shan et al., 2013). Таким чином, олігомеризація IFITM3 необхідна для обмеження деяких вірусів, але інші, такі як NL63-CoV, можуть бути обмежені мономерними IFITM3 (Zhao et al., 2018).
| S-пальмітоїлювання | Cys71, Cys72, Cys105 |
| Фосфорилювання | Tyr20, Tyr27 |
| Убіквітинілювання | Lys24, Lys83, Lys88 та Lys104 |
| Метилювання | Lys88 |
IFITM мають внутрішньоцитозольний N-кінцевий сегмент, амфіпатичну спіраль, вставлену в цитозольний листок мембрани їх проживання, трансмембранний сегмент і просвітній або позаклітинний С-кінцевий сегмент (Bailey et al., 2013); Однак можна уявити, що IFITM приймають динамічну топологію з декількома можливими конформаціями.
Механізми обмеження вірусів за допомогою IFITM
Обмеження зараження IFITM, ймовірно, пояснюється зменшенням текучості мембран, в які вставляються IFITM (Lin et al., 2013), і, можливо, зміною їх ліпідного складу (Amini-Bavil-Olyaee et al., 2014). Ці механізми могли б пояснити, що злиття вірусної оболонки з мембраною, модифікованою IFITM, стає менш сприятливим і, отже, рідше вдається.
IFITM3 інгібує злиття вірусів після етапу геміфузії (Рисунок 1) при виявленні в ендосомній мембрані, що містить віріон (Suddala et al., 2019). Крім того, виявляється, що IFITM3 прискорює доставку віріонів до лізосом (Spence et al., 2019), що сприятиме їх деградації.
- 1 Тирозин у положенні 20, будь-які амінокислоти у положенні 21 та 22, фенілаланін у положенні 23.
За результатами Desai et al., 2014.
У випадку вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ), IFITM зливаються з білками GAG вірусної частинки і включаються в його оболонку під час бутонізації; це призводить до утворення вірусних частинок із меншою інфекційністю, оскільки вони легше зливаються з плазматичною мембраною, коли починають новий інфекційний цикл (Compton et al., 2013; Tartour et al., 2014). IFITM обмежують віруси кількох інших сімейств вірусів тим самим процесом. Таким чином, IFITM мають бімодальну активність: вони обмежують злиття вірусів не тільки на початку інфекційного циклу, коли вони знаходяться в клітинних мембранах, але також опосередковано в кінці інфекційного циклу, коли їх включення в нові вірусні частинки робить їх менш інфекційні частинки.
Вплив IFITM на антивірусний імунітет у цілому
Ефекти обмеження вірусних інфекцій IFITMs спостерігаються не тільки на клітинному рівні, але й у всьому організмі. Дійсно, миші Ifitm3 -/-, у яких IFITM3 відсутній, виявляють підвищену сприйнятливість до зараження вірусом грипу А (IAV) (Everitt et al., 2012), вірусом Західного Нілу (WNV) (Gorman et al., 2016), Вірус Chikungunya (CHIKV), вірус Венесуельського енцефаліту коней (VEEV) (Poddar et al., 2016), респіраторно-синцитіальний вірус (RSV) (Everitt et al., 2013) та цитомегаловірус (CMV) (Stacey et al., 2017 ). Ця сприйнятливість призводить до сильної втрати ваги та збільшення смертності у заражених мишей Ifitm3 -/-.
У людини в гені IFITM3 виявлено два однонуклеотидні поліморфізми (або SNP), які асоціюються з більш важкими вірусними інфекціями вірусом грипу А. Алель rs34481144-A, у якого мутація в 5 'некодуючій області гена IFITM3 індукує зниження експресії білка, асоціюється з більш важким грипом серед афроамериканських популяцій та більш високим рівнем смертності після зараження серед європейської популяції (Allen et al., 2017). Алель rs12252-C (в результаті делеції 21 залишку в N-кінцевому домені IFITM3) індукує в гомозиготному стані збільшення смертності та захворюваності, викликані вірусом грипу А (Yang et al., 2015) та ВІЛ (Zhang et al., 2015) серед населення Китаю, але не можна зробити висновок про вплив цього поліморфізму на європейське населення через його рідкість (Everitt et al., 2012).
Деякі віруси стійкі до IFITM
Кілька вірусів стійкі до IFITM, такі як вірус гепатиту С. Зазвичай віруси, стійкі до IFITM, також стійкі до двох інших, хоча є винятки: наприклад, вірус Dugbe (DUGV) сприйнятливий до IFITM 1 і 2, але не до IFITM3, і вірус Еппштейна Барра (EBV) сприйнятливий до IFITM 2 і 3, але не до IFITM1 (Tartour et al., 2017).
ВІЛ та стійкість до білків IFITM
Може здатися дивним, що перші віріони, які заразили нового господаря, стійкі до IFITM, але згодом стають чутливими до цих білків. Як пояснити в цьому випадку, що віріони, передані новому господареві, знову стійкі до IFITM? Кілька факторів можуть пояснити цю знахідку. По-перше, можливо, що стійкі віріони передаються перед мутацією у сприйнятливі форми. Крім того, деякі дані свідчать про те, що в термінальній фазі інфекції тиск нейтралізуючих антитіл вивільняється, і віруси знову стають стійкими (Fenton-May et al., 2013). Нарешті, навіть враховуючи цілком чутливу популяцію вірусів, слід враховувати, що зараження клітини вірусом не є детермінованим процесом, а навпаки набуває імовірнісного виміру. Таким чином, навіть якщо більшість населення пригнічується IFITM, деякі віріони можуть втекти від них і встигнути заразити господаря.
IFITMs індукуються інтерферонами, що виробляються в інфекційному контексті. Вони експресуються в ендоплазматичній сітці перед транспортуванням до плазматичної мембрани, що зазнає посттрансляційних модифікацій. IFITM1 залишається на мембрані, тоді як IFITM 2 і 3 перенаправляються до ендосом. IFITM втручаються у вірусний цикл, інгібуючи злиття вірусу в плазматичній мембрані або ендосомах, або шляхом включення в нові частинки вірусу, що зменшує їх здатність інфікувати нові клітини. Віріони, що описуються як передавач-засновник ВІЛ, як правило, стійкі до IFITM, але певні мутації білка оболонки можуть спричинити втрату стійкості до цих білків.
Висновок
IFITM 1, 2 та 3 є одними з найважливіших факторів обмеження у боротьбі з вірусними інфекціями, інгібуючи злиття мембран багатьох вірусів, що обволікаються. Їх діяльність сильно контролюється і включає кілька механізмів спільно.
Однак функції IFITM не обмежуються обмеженням вірусних інфекцій, оскільки IFITM5 бере участь в остеогенезі (Moffatt et al., 2008), а IFITM 1, 2 і 3 беруть участь у міграції статевих клітин під час ембріогенезу (Lange et al., 2003) та при адгезії клітинних клітин (Deblandre et al., 1995). Крім того, надмірна експресія IFITM під час гестації може перервати формування плаценти шляхом інгібування злиття клітин синцитіотрофобластів (Buchrieser et al., 2019).