Введение

Белок M2 (Матрикс 2) — это протоноселективный вирупорин, являющийся неотъемлемой частью вирусной оболочки вируса гриппа А. Сам канал представляет собой гомотетрамер (состоит из четырех идентичных субъединиц M2), где субъединицы формируют спирали, стабилизированные двумя дисульфидными связями, и активируется при низкой кислотности (низком pH). Белок M2 кодируется седьмым сегментом РНК совместно с белком M1. Протонная проводимость, осуществляемая белком M2 при инфекции гриппом А, необходима для репликации вируса. Вирусы гриппа B и C кодируют белки с аналогичной функцией, которые называются BM2 и CM2 соответственно. Несмотря на схожую общую структуру и механизм действия, они демонстрируют небольшое сходство с M2 на уровне последовательности аминокислот.

Структура

В вирусе гриппа А белковая единица M2 состоит из трех белковых сегментов, содержащих 97 аминокислотных остатков: (i) внеклеточный N-терминальный домен (остатки 1–23); (ii) трансмембранный сегмент (TMS) (остатки 24–46); (iii) внутриклеточный C-терминальный домен (остатки 47–97). ТМС образует пору ионного канала. Важными остатками являются имидазол His37 (pH-сенсор) и индол Trp41 (ворота). Этот домен является мишенью для противогриппозных препаратов, амантадина и его этилового производного римантадина, а также, вероятно, метилового производного римантадина, адапромина. Первые 17 остатков цитоплазматического хвоста M2 формируют высококонсервативную амфипатическую спираль. Остатки амфипатической спирали (46–62) в цитоплазматическом хвосте играют роль в почковании и сборке вируса. Вирус гриппа использует эти амфипатические спирали в M2 для изменения кривизны мембраны в области шейки вируса при почковании, зависящим от холестерина. Остатки 70–77 цитоплазматического хвоста важны для связывания с M1 и для эффективного производства инфекционных вирусных частиц. Эта область также содержит домен связывания кавеолина (CBD). C-терминальный конец канала переходит в петлю (остатки 47–50), которая соединяет трансмембранный домен с C-терминальной амфипатической спиралью (46–62). Были получены две различные структуры с высоким разрешением укороченных форм M2: кристаллическая структура мутированной формы трансмембранной области M2 (остатки 22–46), а также более длинная версия белка (остатки 18–60), содержащая трансмембранную область и сегмент C-терминального домена, изученная методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Эти две структуры также указывают на различные сайты связывания для препаратов класса адамантанов, применяемых против гриппа. Согласно кристаллической структуре при низком pH, одна молекула амантадина связывается в середине поры, окруженная остатками Val27, Ala30, Ser31 и Gly34. В отличие от этого, структура ЯМР показала, что четыре молекулы римантадина связываются с внешней поверхностью поры, обращенной к липидам, взаимодействуя с остатками Asp44 и Arg45. Однако, недавняя структура, полученная методом твердотельной ЯМР-спектроскопии, показывает, что канал M2 имеет два сайта связывания для амантадина: один сайт с высокой аффинностью находится в N-терминальном просвете, а второй сайт с низкой аффинностью – на поверхности C-терминального белка.

Проводимость и селективность протонов

М2 ионный канал вируса гриппа А высокоселективен к протонам. Канал активируется при низком pH и имеет низкую проводимость. Гистидиновые остатки в положении 37 (His37) отвечают за эту протонную селективность и модуляцию pH. Замена His37 на глицин, аланин, глутаминовую кислоту, серин или треонин приводит к потере протонной селективности, и мутант также способен транспортировать ионы Na+ и K+. Добавление имидазольного буфера к клеткам, экспрессирующим мутантные белки, частично восстанавливает ионную селективность. Acharya и соавторы предположили, что механизм проводимости включает обмен протонами между имидазольными группами His37 M2 и водой, заключенной внутри пучка M2. Молекулы воды в поре формируют водородные связи, образуя "водяные цепочки" от входа в канал до His37. Карбонильные группы, выстилающие пору, удобно расположены для стабилизации ионов гидрония посредством взаимодействий второй оболочки с участием мостиковых молекул воды. Коллективное изменение ориентации водородных связей может способствовать направленности протонового потока, поскольку His37 динамически протонируется и депротонируется в цикле проводимости. Остатки His37 формируют структуру, напоминающую коробку, ограниченную с обеих сторон кластерами воды с хорошо упорядоченными атомами кислорода поблизости. Конформация белка, являющаяся промежуточной между структурами, ранее определенными при более высоких и более низких значениях pH, указывает на механизм, посредством которого конформационные изменения могут способствовать асимметричной диффузии через канал в присутствии протонного градиента. Более того, протоны, диффундирующие через канал, не обязательно локализованы в одном имидазоле His37, а могут быть делокализованы по всему "ящику" His и связанным с ним водяным кластерам.

Функция

Белок канала M2 является важным компонентом вирусной оболочки благодаря его способности формировать высокоселективный, регулируемый pH протонопроводящий канал. Протонный канал M2 поддерживает pH во время проникновения вируса в клетку и через транс-мембрану Гольджи инфицированных клеток во время созревания вируса. По мере проникновения вируса в клетку-хозяина посредством рецепторно-опосредованного эндоцитоза происходит закисление эндосом. Этот низкий pH активирует канал M2, который вводит протоны в вирион. Закисление внутренней части вируса приводит к ослаблению электростатических взаимодействий и диссоциации между M1 и вирусными рибонуклеопротеиновыми (РНП) комплексами. Последующее слияние мембран высвобождает РНП в цитоплазму, где они импортируются в ядро для начала вирусной репликации. После синтеза в инфицированной клетке-хозяине M2 встраивается в эндоплазматический ретикулум (ЭР) и транспортируется к поверхности клетки через сеть транс-Гольджи (ТГН). В кислой среде ТГН M2 транспортирует ионы H+ из просвета, поддерживая метастабильную конформацию гемагглютинина (HA). Показано, что ионно-канальная активность белка M2 в ТГН эффективно активирует NLRP3-инфламмасому. Другие важные функции M2 включают его роль в формировании нитевидных штаммов гриппа, скашивании мембран и высвобождении формирующегося вириона. M2 стабилизирует место почкования вируса, и мутации M2, препятствующие его связыванию с M1, могут нарушить образование нитей в месте почкования.

Ингибирование и сопротивление

Препарат против вируса гриппа, амантадин, является специфическим блокатором M2 H+ канала. Препарат связывается с каналом и блокирует его центральное отверстие. Мутации, обуславливающие устойчивость к адамантановым препаратам, включая амантадин и римантадин, возникают в трансмембранной области и широко распространены. Подавляющее большинство устойчивых вирусов несут мутацию S31N. Устойчивость к адамантанам среди циркулирующих вирусов гриппа А варьируется в зависимости от региона, но в мировом масштабе значительно возросла с начала 2000-х годов. Центры по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) опубликовали информацию о том, что большинство циркулирующих штаммов теперь устойчивы к этим двум доступным препаратам, и с июня 2021 года их применение не рекомендуется.

Белок M2 гриппа B и C

Вирусы гриппа B и C кодируют вирионные белки, обладающие схожей функцией переноса протонов, получившие названия "BM2" и "CM2" соответственно. Несмотря на сходную общую структуру и механизм действия, они мало похожи на M2 на уровне последовательности аминокислот.

BM2

Белок M2 вируса гриппа B состоит из 109 аминокислотных остатков, является гомотетрамером и функциональным гомологом белка M2 вируса гриппа A. Последовательности AM2 и BM2 практически не гомологичны, за исключением мотива HXXXW в трансмембранном домене (ТМД), необходимого для функционирования канала. Профили протонной проводимости у них схожи. Однако, активность канала BM2 выше, чем у AM2, и активность BM2 полностью нечувствительна к амантадину и римантадину.

СМ2

CM2 может играть роль в упаковке генома в вирионах. CM2 регулирует внутриклеточный pH и способен заменять M2 вируса гриппа A в этой функции.