痘病毒宿主范围决定因子SAMD9/9L：揭示天然免疫与病毒拮抗的新前沿

本综述系统阐述了痘病毒宿主范围决定机制的最新突破，重点揭示了宿主限制因子SAMD9/9L（ sterile alpha motif domain-containing 9/L）作为新型tRNA内切核糖核酸酶（tRNase-SA）的抗病毒机制，及其与痘病毒三类拮抗蛋白（C7家族、K1和CP77）的分子互作。该研究不仅深化了对病毒-宿主进化军备竞赛的理解，更为先天免疫（innate immunity）、肿瘤抑制和自身炎症性疾病提供了新的分子视角。

　　

引言

痘病毒作为大型双链DNA病毒，在感染细胞的细胞质内完成其全部复制过程，并采用复杂策略调控宿主应答。其中，正痘病毒属（Orthopoxvirus, OPXV）成员对人类健康产生了深远影响。天花病毒（Variola virus, VARV）是历史上最致命的病原体之一，而近期猴痘病毒（mpox virus, MPXV，原猴痘病毒）所展现出的人际传播和全球蔓延，重新激发了科学界对这一病毒家族的兴趣。痘病毒 collectively 感染广泛的分类学宿主，但个体痘病毒物种通常表现出相对狭窄且独特的宿主范围，其分子机制尚未被完全理解。宿主范围的差异长期以来被用于疫苗开发和溶瘤病毒治疗，其分子基础主要取决于病毒独特的宿主范围基因库，这些基因是痘病毒免疫逃逸分子的一个子集。

痘病毒宿主范围的分子决定因素

痘病毒及其宿主范围概述

脊椎动物痘病毒科（Chordopoxvirinae, ChPV）的多样性已从十年前公认的10个属大幅扩展至18个属。正痘病毒属包括VARV、MPXV、疫苗病毒（Vaccinia virus, VACV）、牛痘病毒（Cowpox virus, CPXV）和骆驼痘病毒（Camelpox virus, CMLV）。它们的宿主范围差异显著：VARV和CMLV具有高度的宿主特异性，分别仅限于人类和骆驼；而VACV、MPXV和CPXV具有更广的宿主范围，增加了其溢出的风险。啮齿动物常被认为是OPXVs的储存宿主。

痘病毒宿主范围基因

痘病毒基因组由大小约128至375 kb的线性双链DNA组成。其基因组中央区域相对保守，而两个末端区域变异较大，赋予了不同痘病毒物种的独特特征。宿主范围基因位于可变的末端区域，它们经常包含蛋白质-蛋白质相互作用基序，包括锚蛋白（ankyrin, ANK）重复和PRANC（pox protein repeats of ankyrin, C-terminal）结构域。痘病毒宿主范围基因的库及其与宿主靶标的物种特异性相互作用，强烈影响着病毒的宿主范围。通常，编码更多此类基因的痘病毒表现出更广泛的宿主趋向性。

疫苗病毒宿主范围因子及其宿主靶标

痘病毒在细胞质中的 robust 复制会生成明显的病原体相关分子模式（PAMPs），并为细胞资源带来沉重负担，从而为宿主限制创造了多重机会。因此，痘病毒将其基因组的很大一部分用于对抗宿主限制。宿主限制通常在缺乏特定对抗措施的病毒突变体表现出受限的宿主范围时变得明显。

病毒进入和早期基因表达

VACV可通过质膜直接融合或通过内吞作用及随后与内体膜融合的方式进入细胞。进入后，病毒核心（一种不会自发溶解的稳定结构）被释放到细胞质中。早期信使RNA（mRNA）合成立即在完整的核心内开始。

基因组脱壳和复制

核心溶解和基因组脱壳是了解甚少的过程，需要病毒早期蛋白和宿主蛋白酶体参与。释放到细胞质中的病毒基因组随后作为DNA复制和复制后（中间和晚期）基因表达的模板。多个宿主因子可以抑制基因组脱壳和/或复制，包括BAF（barrier-to-autointegration factor）、IFIT1/2/3（interferon induced protein with tetratricopeptide repeat 1/2/3）和FAM111A（family with sequence similarity 111 member A）。

中间和晚期转录

基因组复制触发复制后转录。与具有明确3'末端的早期mRNA不同，复制后mRNA很长且具有异质的3'末端。重叠的转录本形成双链RNA（dsRNA），从而激活几个熟知的抗病毒通路，包括蛋白激酶R（PKR）和2-5寡聚腺苷酸合成酶（OAS）-RNase L通路。近期研究表明，VACV复制还会产生Z-RNA，一种左旋（Z型）dsRNA，其与Z-DNA结合蛋白1（ZBP1）结合，导致RIPK3介导的细胞死亡。

病毒和宿主信使RNA的翻译

病毒完全依赖宿主细胞的翻译机制进行蛋白质合成，使得翻译控制成为一种关键的病毒限制机制。除了熟知的PKR通路，哺乳动物蛋白SAMD9和SAMD9L（统称为SAMD9/9L）已被鉴定为通过抑制蛋白质合成来发挥功能的关键限制因子。

组装和形态发生

病毒组装在基因组复制和复制后基因表达之后，在细胞质工厂中启动。改良安卡拉疫苗（MVA）在哺乳动物细胞中的复制在形态发生阶段受到限制。锌指抗病毒蛋白（ZAP）的敲低可以部分缓解这种限制。VACV C16已被鉴定为ZAP的拮抗剂，可直接结合ZAP并将其隔离在细胞质点状结构中。

SAMD9和SAMD9L

哺乳动物SAMD9和SAMD9L作为痘病毒限制因子的发现

VACV K1L和C7L以及CPXV CP77是上世纪80年代发现的首批痘病毒宿主范围基因。缺乏K1L和C7L的VACV突变体（VACV/K1^-C7^-）由于在翻译病毒复制后mRNA时受阻，无法在大多数哺乳动物细胞中复制。尽管结构不同，K1、C7和CP77在多种细胞类型中功能等同地支持VACV复制。然而，它们所靶向的限制因子在几十年间一直难以捉摸。

SAMD9和SAMD9L在宿主物种中的分布

SAMD9和SAMD9L最初在哺乳动物中被注意到，哺乳动物进化早期的基因重复事件产生了这些旁系同源基因。虽然一些哺乳动物丢失了一个旁系同源基因，但所有哺乳动物都保留了至少一个，这表明它们具有必要但部分重叠的功能。SAMD9/9L显示出正选择的迹象，特别是在啮齿动物中，暗示了病原体相互作用施加的进化压力。进一步的序列分析表明，SAMD9/9L同源物广泛存在于脊椎动物和无脊椎动物中，但在植物、节肢动物和线虫中明显缺失。

SAMD9和SAMD9L影响的细胞过程

在SAMD9/9L被鉴定为限制因子之前，已经确定对VACV/K1^-C7^-的限制发生在病毒和宿主蛋白质合成阶段。一些研究注意到，在感染缺乏K1L和C7L的VACV突变体期间，PKR的激活和eIF2α的磷酸化增强。然而，PKR的敲低并不能恢复蛋白质合成或病毒复制，即使同时敲除PKR和RNase L也无法缓解限制。

人类SAMD9/9L突变相关的细胞功能

2016年后，随着种系突变与严重人类疾病相关联，对SAMD9/9L的兴趣激增。SAMD9的种系突变最初与MIRAGE综合征相关联，这是一种罕见的多系统发育障碍。SAMD9L的突变最初与共济失调-全血细胞减少综合征相关。后续研究扩大了疾病谱，揭示SAMD9/9L突变显著导致遗传性骨髓衰竭综合征和儿科骨髓增生异常综合征。

SAMD9/9L的结构与功能

结构和功能研究最近揭示人SAMD9（hSAMD9）是一种可被痘病毒激活的反密码子核酸酶，能选择性切割tRNA^Phe，导致苯丙氨酸密码子特异性的核糖体停滞、全局性蛋白质合成抑制和蛋白毒性应激反应。

预测的域结构

SAMD9/9L是大的胞质蛋白，超过1500个氨基酸。初步序列分析仅在其N末端识别出一个 sterile alpha motif (SAM) 结构域，这些蛋白质因此得名。随后，更先进的序列分析技术揭示了额外的结构域。

鉴定SAMD9/9L为痘病毒可激活的tRNA内切核糖核酸酶

预测的DNA结合Alba结构域的存在促使研究该结构域是否可能作为感应痘病毒复制过程中产生的细胞质DNA的传感器。hSAMD9的一个更大结构域（aa 156–385）被鉴定为双链核酸（dsNA）结合结构域。该结构域与dsDNA复合物的晶体结构已解析，为了解其核酸结合机制提供了详细见解。

痘病毒感染或功能获得性突变对tRNase-SA的激活

全长SAMD9/9L中的tRNase-SA处于潜伏状态，但在痘病毒感染期间，早在感染后两小时就被激活。在缺乏感染的情况下，各种患者来源的GoF突变使tRNase-SA组成型激活，导致蛋白质合成关闭和蛋白毒性应激。

与原核抗病毒STAND蛋白的进化联系

tRNase-SA被归类为一种tRNA反密码子核酸酶，微生物利用它来防御病毒或竞争者，但此前未在多细胞真核生物中发现。SAMD9/9L利用tRNase-SA作为效应功能，与先前表征的真核STAND蛋白不同，后者都招募衔接子并需要次级信号来发挥其效应。

痘病毒SAMD9/9L抑制剂

SAMD9和SAMD9L被三种不同的痘病毒宿主范围因子靶向：K1、C7和CP77。所有OPXV都编码至少一种这些抑制剂，而OPXV属之外的许多哺乳动物痘病毒编码C7同源物。SAMD9/9L的物种特异性分化导致了对这些病毒拮抗剂的不同敏感性。

痘病毒C7家族

几乎所有的哺乳动物痘病毒都编码至少一个与VACV C7同源的宿主范围因子。C7家族成员分为两个功能类别：真正能结合并抑制SAMD9/9L的拮抗剂，以及缺乏可测量的SAMD9/9L抑制活性的同源物。

C7家族在痘病毒中的分布

VACV C7是一个150个氨基酸的蛋白质，在痘病毒之外没有已知的同源物。在OPXV中，C7有一个旁系同源物，在CPXV中称为CPXV020。C7和CPXV020都编码在基因组的可变末端区域。

C7家族的结构与功能

在四个已识别的C7进化枝中，VACV C7和某些MYXV M62进化枝成员已被证明能在人类细胞中支持VACV并结合hSAMD9/9L。相比之下，CPXV020和某些MYXV M62进化枝成员（如M63和M64）不能执行这些功能。

K1和CP77

除了C7，OPXV还编码另外两种SAMD9/9L抑制剂：K1和CP77。K1和CP77在结构上都与C7无关，并在SAMD9/9L的不同、非重叠区域结合。

K1和CP77在痘病毒中的分布

K1L和CP77是OPXV特异性基因，在不同的OPXV物种中被选择性保留。例如，MPXV和CPXV保留了这两个基因，而VACV丢失了CP77，VARV则丢失了K1L和CP77。

K1和CP77的结构与功能

K1和CP77在多种细胞系中与C7功能等同地支持VACV复制，尽管在某些宿主细胞类型中观察到了差异。例如，在兔RK13细胞中，K1或CP77可以支持VACV复制，而C7不能；在中国仓鼠卵巢（CHO）细胞中，只有CP77可以支持复制。

结论与未来方向

作为明显的细胞质病原体，痘病毒必须克服宿主先天免疫系统的几乎所有方面才能成功复制。这一非凡的挑战使痘病毒成为研究宿主-病原体相互作用和先天免疫的宝贵模型。在过去十年中，对痘病毒宿主范围突变体的研究揭示了新的抗病毒因子，如SAMD9/9L，以及已建立免疫通路中的意外机制。该领域的持续研究将进一步阐明宿主-病原体相互作用和先天免疫的复杂性。

关于SAMD9/9L及其病毒抑制剂，许多重要问题仍未得到解答。SAMD9/9L在限制痘病毒复制中的关键作用是从当这些因子未被拮抗时病毒复制完全停止，以及存在多个、功能冗余的靶向SAMD9/9L不同区域的痘病毒抑制剂这一事实中显而易见的。然而，令人困惑的是，SAMD9/9L并未对其他病毒表现出同样强大的抗病毒作用。这种差异表明，痘病毒可能产生独特的PAMP来激活SAMD9/9L，或者其他病毒可能编码尚未发现的SAMD9/9L抑制剂——或者两者兼而有之。因此，阐明SAMD9/9L的激活机制是一个关键的研究重点。这些发现可能识别出其他易受SAMD9/9L限制的病毒，并揭示失调的肿瘤细胞中的DAMP如何触发SAMD9/9L的肿瘤抑制功能。

SAMD9/9L在动物物种中的广泛分布也为探索其进化保守性和功能分化提供了机会。例如，禽痘病毒仅限于鸟类，而哺乳动物痘病毒仅感染哺乳动物。虽然宿主特异性可能由多种因素共同引起，但SAMD9/9L的物种特异性差异可能对这些模式有显著贡献。此外，了解缺乏已知SAMD9/9L抑制剂的痘病毒如何逃避这些限制因子，可能揭示新的逃避策略，并加深我们对病毒-宿主协同进化的理解。SAMD9/9L与其病毒拮抗剂之间的相互作用 exemplify 了宿主防御和病原体适应之间的动态军备竞赛。研究这些相互作用不仅丰富了我们对物种特异性感染屏障的理解，也推进了我们对先天免疫如何进化及应对新发病毒威胁的认识。