德州大学圣安东尼奥医学中心项焰团队揭示抑制痘病毒感染宿主作用机制

50年前有学者报道VACV不能感染CHO细胞， 40年前发现CP77可以帮助VACV在CHO细胞中复制。近来，德州大学圣安东尼奥医学中心的项焰实验室研究结果揭示了在这背后起重要作用的细胞因子及机制。相关成果发表在老牌国际病毒学权威期刊

Journal of Virology，题为Identification of CP77 as the third orthopoxvirus SAMD9L inhibitor with a unique specificity for a rodent SAMD9L。

正痘病毒属 （Orthopoxviruses OPXVs）成员在哺乳动物细胞细胞中拥有非常广泛的宿主范围，但是痘苗病毒（vaccinia virus，VACV)却无法感染中国仓鼠卵巢细胞 (CHO)。我们发现具有种属特异性的宿主抑制因子SAMD9L作为主要的宿主抑制因子抑制了痘苗病毒的复制，同时，正痘病毒属的CP77蛋白作为唯一的拮抗因子可以拮抗中国仓鼠SAMD9L的功能。已经报道过的由VACV编码的 SAMD9 和 SAMD9L (SAMD9&L) 拮抗因子 K1 和 C7 能够结合人和小鼠的 SAMD9&L, 但是均不能结合中国仓鼠SAMD9L (chSAMD9L). 通过CRISPR-Cas9 技术敲除CHO细胞中的 chSAMD9L ，VACV即可成功复制。在VACV能够成功复制的人源细胞中表达chSAMD9L后， VACV便无法顺利完成复制。与 K1 和 C7这一已经报道过的SAMD9&L拮抗因子不同, 牛痘病毒编码的CP77蛋白可以结合chSAMD9L 并且可以使VACV 在表达 chSAMD9L 的细胞中成功复制, 表明CP77是 SAMD9L 的另一个特异性拮抗因子。而且CP77 与K1结合在SAMD9L 的同一个结构域。病毒生长实验结果显示 OPXV 的所有成员拮抗 chSAMD9L 的能力与各病毒所编码 CP77 基因的状态有关。包括猴痘病毒在内的很多 OPXVs 成员均保留着功能性CP77 同源。该研究结果揭示了啮齿类动物中SAMD9L 的种属特异性构成了一道抑制OPXV 跨种间传播的天然屏障。然而，OPXVs 进化出了3个具有不同特异性的SAMD9L 拮抗因子来跨越这道屏障。

包括猴痘病毒和牛痘病毒在内的多个正痘病毒属成员可以引起动物疫源性疾病。有足够的证据显示这些病毒利用野生的啮齿类动物作为储存宿主和中间宿主，但是，我们对于病毒与宿主相互作用如何决定了正痘病毒属成员在啮齿类动物中的传播还不甚了解。正痘病毒属部分成员无法在CHO细胞中进行复制是由于宿主抗病毒因子SAMD9L 的抑制作用导致的，不同啮齿类动物中SAMD9L 的差别构成了一道抑制部分正痘病毒跨种属传播的屏障。正痘病毒属的K1和C7能够拮抗人类和小鼠的 SAMD9L，但是无法拮抗中国仓鼠的 SAMD9L。中国仓鼠的 SAMD9L只能够被具有完整功能的CP77蛋白所拮抗。表明正痘病毒属成员编码三种具有不同特异性的SAMD9L 拮抗因子。我们的研究结果表明正痘病毒在啮齿动物中的宿主范围 取决于三种SAMD9L 拮抗因子（K1, C7, CP77）的不同特异性。

研究结果：

1.   中国仓鼠 SAMD9 和 SAMD9L 与痘病毒蛋白的结合具有特异性.

2.  chSAMD9L 是抑制 VACV 在CHO 细胞中的必要条件; CP77 是 SAMD9L 的特异性拮抗因子.

3. 在人源细胞中表达 chSAMD9L 可以抑制痘病毒的复制

4. CP77结合位点位于SAMD9&L的NTPase-TPR 结构域.

5. CP77蛋白位于N末端的382氨基酸对于结合 chSAMD9L起着重要作用.

6. 正痘病毒科成员拮抗chSAMD9L 功能的能力与其表达CP77基因的状态相关 

Table 1. OPXV CP77 orthologs comparison to CPXV BR CP77.

*Strain MD1964-85A. 1-406 of CP77 ortholog fused in frame to the N-terminus of the full-length, 246-aa chemokine binding protein. Total protein length is 655-aa.  

项焰，美国德克萨斯州立大学圣安东尼奥医学中心微生物和免疫系终身教授，博士生导师，主要研究病毒与宿主细胞的相互作用。其现任Journal of Virology 杂志编委，PLoS One杂志编辑和PLoS  Pathogen、Virology、Antiviral Therapy、Virology Journal、Journal of General Virology等杂志受聘审稿专家，并受邀担任美国NIH 病毒研究组委会基金评审专家。目前其承担美国NIH等多项课题的研究，并发表论文40余篇。

Abstract

Orthopoxviruses (OPXVs) have a broad host range in mammalian cells, but Chinese hamster ovary (CHO) cells are non-permissive for vaccinia virus (VACV). Here, we revealed a species-specific difference in host restriction factor SAMD9L as the cause for the restriction and identified orthopoxvirus CP77 as a unique inhibitor capable of antagonizing Chinese hamster SAMD9L (chSAMD9L). Two known VACV inhibitors of SAMD9 and SAMD9L (SAMD9&L);, K1 and C7, can bind human and mouse SAMD9&L;, but neither can bind chSAMD9L. CRISPR-Cas9 knockout of chSAMD9L from CHO cells removed the restriction for VACV, while ectopic expression of chSAMD9L imposed the restriction for VACV in a human cell line, demonstrating that chSAMD9L is a potent restriction factor for VACV. Contrary to K1 and C7, cowpox virus CP77 can bind chSAMD9L and rescue VACV replication in cells expressing chSAMD9L, indicating that CP77 is yet another SAMD9L inhibitor but has a unique specificity for chSAMD9L. Binding studies showed that the N-terminal 382 amino acids of CP77 were sufficient for binding chSAMD9L and that both K1 and CP77 target a common internal region of SAMD9L. Growth studies with nearly all OPXV species showed that the ability of OPXVs in antagonizing chSAMD9L correlates with CP77 gene status and that a functional CP77ortholog was maintained in many OPXVs, including monkeypox virus. Our data suggest that species-specific difference in rodent SAMD9Lposes a barrier for cross-species OPXV infection and that OPXVs have evolved three SAMD9&L inhibitors with different specificities to overcome this barrier.

IMPORTANCE: Several OPXV species, including monkeypox virus and cowpox virus, cause zoonotic infection in humans. They are believed to use wild rodents as the reservoir or intermediate hosts, but the host or viral factors that are important for OPXV host range in rodents are unknown. Here, we showed that the abortive replication of several OPXV species in a Chinese hamster cell line was caused by a species-specific difference in the host antiviral factor SAMD9L, suggesting that SAMD9L divergence in different rodentspecies poses a barrier for cross-species OPXV infection. While the Chinese hamster SAMD9L could not be inhibited by two previously identified OPXV inhibitors of human and mouse SAMD9&L;, it can be inhibited by cowpox virus CP77, indicating that OPXVs encode three SAMD9&L inhibitors with different specificity. Our data suggest that OPXV host range in broad rodent species depends on three SAMD9&L inhibitors with different specificities.

本期编辑：Tony