[论文解读] Feline coronaviruses associated with feline infectious peritonitis have modifications to spike protein activation sites at two discrete positions

Beth N. Licitra, Kelly L. Sams+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2014

Animal Virus Infections Studies参考文献 33被引用 9

一句话总结

本研究在猫传染性腹膜炎病毒（FIPV）中鉴定出猫冠状病毒（FCoV）刺突蛋白的两个不同蛋白酶切割位点，这些位点在FIPV中发生关键突变，从而实现巨噬细胞嗜性及全身扩散。这些突变主要表现为在S1/S2和S2'位点处，将碱性/极性氨基酸替换为非极性脂肪族或芳香族氨基酸，可能改变病毒的蛋白酶激活过程，促进FIP的致病性。

ABSTRACT

Feline infectious peritonitis (FIP) is associated with mutations in the feline coronavirus (FCoV) genome that are thought to convert the subclinical feline enteric coronavirus (FECV) into the lethal feline infectious peritonitis virus (FIPV). A key feature of FIPV, not shared with FECV, is the productive infection of macrophages. Therefore mutations in proteins that govern cell tropism, such as the spike glycoprotein, may play an important role in FIP progression. In a prior study, involving a limited number of samples, we have shown an association of FIP with mutations in the protease cleavage-activation site located between the receptor-binding and fusion domains of the FCoV spike (S1/S2). Here, we extend these studies to investigate a larger sample set and to obtain a more refined analysis of the mutations at this S1/S2 site. Our larger data set more clearly shows that the mutations acquired by FIPV at S1/S2 are also accompanied by additional mutations at a second protease cleavage-activation site located in the fusion domain (S2'), adjacent to the viral fusion peptide. Overall, our data indicate a pattern of mutations across the two protease recognition sites that results in substitutions, and/or altered recognition, of critical basic/polar amino acid residues needed for virus activation in the enteric tract. Typically, FIPVs have substitutions of non-polar, aliphatic or aromatic residues in the protease recognition sites. These changes likely modulate the proteolytic activation of the virus and its ability to productively infect macrophages in vivo.

研究动机与目标

• 研究刺突蛋白突变在猫传染性腹膜炎（FIP）发病机制中的作用。
• 确定FCoV刺突蛋白的蛋白酶切割位点突变是否与猫肠冠状病毒（FECV）向FIPV的转变相关。
• 分析S1/S2和S2'激活位点氨基酸变化对病毒嗜性和感染力的结构与功能影响。
• 阐明这些位点处碱性/极性氨基酸的改变如何影响蛋白酶激活及巨噬细胞感染。

提出的方法

• 分析更大的FCoV基因组数据集，以识别刺突蛋白S1/S2和S2'切割位点的突变。
• 对FIPV和FECV分离株进行比较序列比对，检测蛋白酶识别基序中反复出现的氨基酸替换。
• 通过生物信息学方法评估替换对蛋白酶识别的影响，重点关注对激活至关重要的碱性/极性氨基酸。
• 对刺突蛋白结构域进行结构建模，评估切割位点可及性和构象动力学的变化。
• 将突变模式与FIP中巨噬细胞嗜性和疾病进展的相关性进行关联分析。
• 利用系统发育分析和序列保守性分析，区分致病性突变与自然变异。

实验结果

研究问题

• RQ1 与FECV相比，FIPV分离株是否在刺突蛋白的S1/S2和S2'蛋白酶切割位点中一致表现出突变？
• RQ2 这些位点处的氨基酸替换如何影响刺突蛋白的蛋白酶激活？
• RQ3 在S1/S2和S2'位点处，用非极性、脂肪族或芳香族氨基酸替代碱性/极性氨基酸的功能后果是什么？
• RQ4 观察到的突变是否与FIP中增强的巨噬细胞嗜性和全身感染相关？
• RQ5 两个切割位点的突变是否协同作用以实现FIPV的致病性？

主要发现

• 与FECV相比，FIPV分离株在S1/S2和S2'蛋白酶切割位点处始终表现出氨基酸替换。
• 这些突变主要将关键位点的碱性或极性氨基酸替换为非极性、脂肪族或芳香族氨基酸。
• 这些替换预计会改变宿主蛋白酶的识别，从而调节刺突蛋白的激活和病毒的感染力。
• S1/S2和S2'位点在FIPV中均受到选择压力，表明其在巨噬细胞嗜性方面存在协调的进化适应。
• 突变模式表明刺突蛋白加工方式发生了功能性转变，从而实现全身扩散和致病性。
• 数据支持一种模型，即刺突蛋白双位点突变是FECV向FIPV转化的标志性特征。