Structure and Activities of the NS1 Influenza Protein and Progress in the Development of Small-Molecule Drugs

✅ 全文

NS1流感蛋白的结构与活性及小分子药物开发进展

作者 Hyeon Jin Kim; Mi Suk Jeong; Se Bok Jang 期刊 International Journal of Molecular Sciences 发表日期 2021 ISSN 1422-0067 DOI 10.3390/ijms22084242 类型 原创研究 (Original Research)

📄 英文摘要 English Abstract

EN

The influenza virus causes human disease on a global scale and significant morbidity and mortality. The existing vaccination regime remains vulnerable to antigenic drift, and more seriously, a small number of viral mutations could lead to drug resistance. Therefore, the development of a new additional therapeutic small molecule-based anti-influenza virus is urgently required. The NS1 influenza gene plays a pivotal role in the suppression of host antiviral responses, especially by inhibiting interferon (IFN) production and the activities of antiviral proteins, such as dsRNA-dependent serine/threonine-protein kinase R (PKR) and 2'-5'-oligoadenylate synthetase (OAS)/RNase L. NS1 also modulates important aspects of viral RNA replication, viral protein synthesis, and virus replication cycle. Taken together, small molecules that target NS1 are believed to offer a means of developing new anti-influenza drugs.

📄 中文摘要 Chinese Abstract

中文
流感病毒在全球范围内引发人类疾病,并造成显著的发病率和死亡率。现有的疫苗接种方案仍易受抗原漂移的影响,更严重的是,少数病毒突变可能导致耐药性。因此,迫切需要开发一种基于小分子的新型辅助治疗抗流感病毒药物。NS1流感基因在抑制宿主抗病毒反应中发挥关键作用,特别是通过抑制干扰素(IFN)的产生以及抗病毒蛋白的活性,如双链RNA依赖性丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶R(PKR)和2′-5′-寡腺苷酸合成酶(OAS)/RNase L。NS1还调控病毒RNA复制、病毒蛋白合成和病毒复制周期的重要方面。综上所述,靶向NS1的小分子被认为为开发新型抗流感药物提供了一种途径。

📋 英文结构化总结 English Structured Summary

全文整理

EN

Header:

Background The influenza virus causes human disease on a global scale and significant morbidity and mortality. The existing vaccination regime remains vulnerable to antigenic drift, and more seriously, a small number of viral mutations could lead to drug resistance. Therefore, the development of a new additional therapeutic small molecule-based anti-influenza virus is urgently required. The NS1 influenza gene plays a pivotal role in the suppression of host antiviral responses, especially by inhibiting interferon (IFN) production and the activities of antiviral proteins, such as dsRNA-dependent serine/threonine-protein kinase R (PKR) and 2′-5′-oligoadenylate synthetase (OAS)/RNase L. NS1 also modulates important aspects of viral RNA replication, viral protein synthesis, and virus replication cycle. Taken together, small molecules that target NS1 are believed to offer a means of developing new anti-influenza drugs.

Header:

Methods N/A – Review article

Header:

Results Key findings from the review include that NS1 is a novel attractive antiviral target involved in viral replication, pathogenesis, spread, and evasion of the host cellular innate immune system. NS1 accumulates in cell nuclei during early infection stages and later enters cytoplasm. The protein has two functional domains: an N-terminal RNA-binding domain (RBD, residues 1–73) and a C-terminal effector domain (ED, residues 88–202), joined by a short interdomain linker region, with a disordered C-terminal tail (CTT). RBD dimer binds dsRNA and protects the virus against the antiviral state induced by interferon α/β. The RBD of NS1 also binds retinoic acid-inducible gene-I (RIG-I), inhibiting host viral detection. The C-terminus of NS1 interacts with host proteins such as eIF4G1, PKR, PAB II, and CPSF30. NS1 is a constitutive homodimer; dimerization is essential for dsRNA binding.

Header:

Data Summary Quantitative results include: the Spanish influenza pandemic (1918 H1N1) caused 50–100 million deaths worldwide; avian H5N1 death rate among infected people was as high as 60%; annually influenza causes 600,000 hospitalizations and 40,000 deaths in the United States. NS1 protein lengths vary between strains from 230 to 237 amino acids. Key residues for dsRNA binding are K41 and R38; the K41A mutation reduces affinity, while R38A abrogates dsRNA binding entirely.

Header:

Conclusions Main conclusions are that effective responses to pandemics will require an extensive range of antiviral drugs. Small molecules that target NS1 are believed to offer a means of developing new anti-influenza drugs because NS1 suppresses host antiviral responses and modulates viral replication.

Header:

Practical Significance Real-world applications include the development of small-molecule inhibitors that target the NS1 protein to combat influenza virus, potentially overcoming antigenic drift and drug resistance issues associated with current vaccines and antiviral drugs.

📋 中文结构化总结 Chinese Structured Summary

中文

背景:

流感病毒在全球范围内引发人类疾病,并造成显著的发病率和死亡率。现有的疫苗接种方案仍易受抗原漂移的影响,更严重的是,少数病毒突变可能导致耐药性。因此,迫切需要开发一种基于小分子的新型辅助治疗抗流感病毒药物。NS1流感基因在抑制宿主抗病毒反应中发挥关键作用,特别是通过抑制干扰素(IFN)的产生以及抗病毒蛋白的活性,如双链RNA依赖性丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶R(PKR)和2′-5′-寡腺苷酸合成酶(OAS)/RNase L。NS1还调控病毒RNA复制、病毒蛋白合成和病毒复制周期的重要方面。综上所述,靶向NS1的小分子被认为为开发新型抗流感药物提供了一种途径。

方法:

不适用——综述类文章

结果:

本综述的主要发现包括:NS1是一个新型且有吸引力的抗病毒靶点,参与病毒复制、致病机制、传播以及逃避宿主细胞先天免疫系统的过程。NS1在感染早期阶段在细胞核中积累,随后进入细胞质。该蛋白具有两个功能结构域:N端RNA结合结构域(RBD,残基1–73)和C端效应结构域(ED,残基88–202),由一个短的连接区连接,并具有无序的C端尾部(CTT)。RBD二聚体结合双链RNA,保护病毒免受干扰素α/β诱导的抗病毒状态。NS1的RBD还结合视黄酸诱导基因-I(RIG-I),抑制宿主对病毒的检测。NS1的C端与宿主蛋白如eIF4G1、PKR、PAB II和CPSF30相互作用。NS1是组成型同源二聚体;二聚化对双链RNA结合至关重要。

数据摘要:

定量结果包括:西班牙流感大流行(1918年H1N1)在全球范围内造成5000万至1亿人死亡;禽流感H5N1在感染者中的死亡率高达60%;流感每年在美国导致60万人住院和4万人死亡。NS1蛋白长度在不同毒株间从230到237个氨基酸不等。双链RNA结合的关键残基为K41和R38;K41A突变降低亲和力,而R38A突变则完全消除双链RNA结合能力。

结论:

主要结论是,有效应对大流行将需要广泛的抗病毒药物。靶向NS1的小分子被认为为开发新型抗流感药物提供了一种途径,因为NS1抑制宿主抗病毒反应并调控病毒复制。

实际意义:

实际应用包括开发靶向NS1蛋白的小分子抑制剂以对抗流感病毒,有望克服当前疫苗和抗病毒药物相关的抗原漂移和耐药性问题。

📖 英文全文 English Full Text

EN

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242. https://doi.org/10.3390/ijms22084242 www.mdpi.com/journal/ijms

Review Structure and Activities of the NS1 Influenza Protein and Progress in the Development of Small‐Molecule Drugs

Hyeonjin Kim 1, Misuk Jeong 2,* and Sebok Jang 1,*

1  Department of Molecular Biology, College of Natural Sciences, Pusan National University, Jangjeon‐dong,

Geumjeong‐gu, Busan 46241, Korea; khjkhj0903@naver.com

2  Institute for Plastic Information and Energy Materials and Sustainable Utilization of Photovoltaic Energy

Research Center, Pusan National University, Jangjeon‐dong, Geumjeong‐gu, Busan 46241, Korea

*  Correspondence: 123misuk@pusan.ac.kr (M.S.J.) and sbjang@pusan.ac.kr (S.B.J.);

Tel: +82‐51‐510‐2523 (M.S.J. & S.B.J.); Fax: +82‐51‐581‐2544 (M.S.J. & S.B.J.)

Abstract: The influenza virus causes human disease on a global scale and significant morbidity and mortality. The existing vaccination regime remains vulnerable to antigenic drift, and more seriously, a small number of viral mutations could lead to drug resistance. Therefore, the development of a new additional therapeutic small molecule‐based anti‐influenza virus is urgently required. The NS1 influenza gene plays a pivotal role in the suppression of host antiviral responses, especially by inhibiting  interferon  (IFN)  production  and  the  activities  of  antiviral  proteins,  such  as  dsRNA‐ dependent  serine/threonine‐protein  kinase  R  (PKR)  and  2′‐5′‐oligoadenylate  synthetase (OAS)/RNase  L.  NS1  also  modulates  important  aspects  of  viral  RNA  replication,  viral  protein synthesis, and virus replication cycle. Taken together, small molecules that target NS1 are believed to offer a means of developing new anti‐influenza drugs.

Keywords: NS1; influenza virus A; small molecule; drug; inhibitor

1. Introduction Influenza  viruses  cause  respiratory  infections  that  seriously  affect  public  health, typically they manifest as seasonal epidemics and intermittent pandemics that result in thousands of deaths [1]. The World Health Organization has estimated that annually, influenza  causes  600,000  hospitalizations  and  40,000  deaths  in  the  United  States.  The worst influenza pandemic, the Spanish influenza pandemic (1918H1N1), occurred in 1918 and in eight months caused 50–100 million deaths worldwide [2]. Although avian H5N1 has not as‐yet achieved person‐to‐person transmissibility, the death rate among the small number of people infected by direct contact with birds was as high as 60% [3]. On the other hand, swine flu (H1N1), which caused a pandemic in 2009, has high transmissibility and low virulence [4]. For these reasons, control of seasonal influenza presents a weighty challenge.

The viruses are enveloped viruses of the family Orthomyxoviridae and the surface glycoproteins haemagglutinin (HA) and neuraminidase (NA) define the viral subtypes and  the  immunogenic  proteins  of  the  influenza  virus.  They  possess  a  segmented, negative‐strand  RNA  genome  consisting  of  eight  segments  of  viral  RNA  encoding  11 proteins. These viruses are classified as influenza A, B, and C types. The genomes of A and  B  type  influenza  consist  of  eight  single‐stranded  negative‐sense  RNA  segments, whereas that of influenza C viruses has only seven [5,6]. Type A influenza viruses are responsible  for  most  symptomatic  infections  in  man,  but  they  infect  multiple  species, including  swine,  dogs,  cats,  horses,  humans,  and  other  mammals.  In  contrast,  type  B influenza viruses exclusively infect humans. Influenza C viruses showed seasonal activity in pigs and are transmitted between pigs [7–9].

Citation: Kim, H.J.; Jeong, M.S.; Jang, S.B. Structure and Activities of the NS1 Influenza Protein and

Progress in the Development of Small‐Molecule Drugs. Int. J. Mol.

Sci. 2021, 22, 4242. https://doi.org/ 10.3390/ijms22084242

Academic Editor:

Dharmendra Kumar Yadav Received: 18 March 2021 Accepted: 18 April 2021

Published: 19 April 2021 Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Copyright: © 2021 by the authors.

Licensee MDPI, Basel, Switzerland.

This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons

Attribution (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses

/by/4.0/).

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 2  of  13

To survive in nature, influenza viruses have evolved multiple mechanisms to evade host immune systems. A small number of drugs have been approved for the treatment of influenza.  Admantane  antivirals  target  the  viral  M2  ion  channel  required  for  viral uncoating within host cells and inhibit viral neuraminidase protein. Recently, the FDA approved baloxavir marboxil, which targets viral polymerase [10,11]. However, clinical concerns  remain  regarding  its  efficacy,  resistance,  and  cost  [12].  Thus,  it  appears  that effective responses to pandemics will require an extensive range of antiviral drugs.

2. Structure of the NS1 Protein Nonstructural protein 1 (NS1) is a novel attractive antiviral target. Genetic analyses of  NS1  have  shown  that  it  is  involved  in  several  processes  of  viral  replication, pathogenesis, spread, and evasion of the host cellular innate immune system [13–20]. NS1 is encoded by all strains of influenza A and is well conserved [21]. NS1 protein lengths vary between strains from 230 to 237 aa [5]. NS1 accumulates in cell nuclei during early infection stages and later enters cytoplasm. This protein has two functional domains, that is, an N‐terminal RNA‐binding domain (RBD, residues 1–73) and a C‐terminal effector domain (ED, residues 88–202), which are joined by a short interdomain linker region (LR).

The  remaining  residues  of  NS1  that  form  the  C‐terminal  tail  (CTT)  are  intrinsically disordered, and the conformation of this region can change when NS1 interacts with host cell proteins or due to post‐translational modifications [22]. RBD dimer consists of three α‐helices from one monomer that is interlocked with three α‐helices from the other in a six‐helical symmetrical arrangement [23]. K41 and R38 of NS1 are essential for double‐ strand RNA (dsRNA) binding. Furthermore, whereas the K41A mutation reduces NS1 affinity  for  dsRNA,  the  R38A  mutation  entirely  abrogates  dsRNA  binding  [24].  The flexible LR of NS1 has a short type Ⅰ β‐turn encompassing residues 74 to 77 and acts as a mechanical hinge that allows the RBD and ED regions to move relative to one another [25]. Each ED monomer has seven β‐strands and three α‐helices. CTT has been used to determine NS1 structure, but the full‐length structure has not been resolved (Figure 1).

The RBD domain binds dsRNA with low‐affinity and protects the virus against the antiviral state induced by interferon α/β [26–28]. Binding of the RBD of NS1 with retinoic acid‐inducible gene‐Ⅰ (RIG‐Ⅰ; a cytoplasmic pathogen sensor) inhibits the viral detecting ability of host cells [29]. The C‐terminus of NS1 predominantly interacts with host cell proteins,  such  as  elongation  initiation  factor  4G1  (eIF4G1),  dsRNA‐dependent serine/threonine‐protein  kinase  R  (PKR),  and  poly(A)‐binding  protein  Ⅱ  (PAB  Ⅱ)  and cleaves the 30 kDa subunit of polyadenylation specificity factor (CPSF30) [30–33]. NS1 is a constitutive homodimer, and its dimerization is mediated by high‐affinity interactions between RBDs, whereas multimerization depends on ED via W187 [34,35]. Dimerization is  essential  for  1:1  binding  between  dsRNA  and  NS1‐dsRNA  complex  [26,36].  NS1  is mainly localized to nuclei, though appreciable amounts can be found in cytoplasm [37].

NS1  contains  a  highly  conserved  nuclear  localization  sequence  (NLS)  in  its  RBD  that utilizes Arg35, Arg38, and Lys41 to bind to dsRNA, although some virus strains possess a second NLS in the C‐terminal. Concurrent with the C‐terminus of NLS is a functional nucleolar localization signal (NoLS) [38], and a nuclear export signal (NES) lies within residues 138–147 [39].

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 3  of  13

(A)

(B)

Figure  1.  Structural  analyses  of  NS1.  (A)  Schematic  representation  of  the  full‐length  NS1  domain  and  of  interacting proteins. NS1 consists of an RNA‐binding domain (RBD), a linker region (LR), an effector domain (ED), and a C‐terminal tail (CTT). RBD binds to dsRNA to inhibit the interferon (INF) induction, whereas the C‐terminal ED region mediates interactions with several host cellular proteins. (B) NS1 dimer adapted from the X‐ray structure of H6N6 NS1 (PDB ID:

4OPA), showing interactions between the two RBD.

3. Function of NS1 in Infected Cells 3.1. Translation of Viral mRNA

NS1  can  bind  with  the  5′  untranslated  region  (5′UTR)  of  viral  mRNAs,  and  this binding enhances viral translation, but not the translations of cellular mRNAs. Marion et al. reported that the N‐terminal of NS1 plays a critical role in the stimulation of viral mRNA translation in COS‐1 cells [40]. NS1 coimmunoprecipitates with eIF4G1 (a large

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 4  of  13

subunit of eIF4F, residues 81–113) in transfected COS‐1 cells (Figure 2) [41]. Additionally,

NS1 residues 1 and 81 interact with PABPⅠ residues 365 and 535 in an RNA‐independent manner.  Furthermore,  these  interactions  suggest  a  NS1‐PABPⅠ‐eIF4G1  heterotrimeric complex  might  be  possible  [32].  Falcon  et  al.  reported  hStaufen,  which  can  bind  with dsRNA and tubulin in interaction with NS1 in a two‐hybrid genetic trap [42]. NS1 recruits eIF4G1, PABP, and hStaufen to the 5′ UTR of viral mRNA, which promotes viral mRNA translation.  Furthermore,  SUMOylation  (small  ubiquitin‐like  modifier  conjugation)  of

K219 and K221 of NS1 accelerates viral replication and slightly increased virus titers of the highly pathogenic H5N1 strain in WSN‐transfected cells. In contrast, ISGylation (also termed ISG15 modification) of K41 disrupted the interaction between NS1 and importin α, which interrupted the nuclear import of NS1 and reduced viral replication [43,44].

Figure 2. Overview of the functions of NS1 protein in cytoplasm and nuclei of infected cells. NS1 plays a vital role as an

INF  antagonist  for  the  influenza  virus.  NS1  inhibits  IFN  induction  at  the  pre‐transcriptional  stage  by  blocking  the activation of the RIG‐Ⅰ and at the post‐translational level by repressing activations of the antiviral properties of PKR and

OAS/RNase L. Furthermore, NS1 disrupts the processing and nuclear export of cellular mRNAs. NS1 enhances viral mRNA translation, and activation of the PI3K pathway by NS1 is required for viral replication in infected cells.

3.2. Responses of the Human Immune System Host cells have the potential to prompt response to virus infection by activating the innate interferon  (IFN) system, which can limit virus replication and spread. NS1 has shown to be a general inhibitor of the interferon signaling pathway, and infection with

NS1 deletion virus was reported to induce large amounts of IFN‐stimulated reporter gene in 293 cells at virus titers 10–100 fold lower than wild‐type virus [18]. Influenza PR8/NS1 prevented virus‐ and/or the dsRNA‐mediated activations of IFN regulator factor 3 (IRF3) and NF‐κB, which is essential for the interferon system [45,46]. Upon viral infection, RIG‐

Ⅰ recognizes viral RNA in a 5′‐triphosphate‐dependent manner and initiates an antiviral signaling  cascade  for  MAVS/VISA/IPS‐1/Cardif.  Ubiquitin  ligase  tripartite  motif  25 (TRIM25) mediates the K63‐linked ubiquitination of RIG‐Ⅰ, which is crucially required for

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 5  of  13

the RIG‐Ⅰ signaling pathway, and PR8/NS1 residues E96 and E97 directly interact with the coiled‐coil domain of TRIM25, and thus, interfere with TRIM25 oligomerization and RIG‐

Ⅰ  CARD  domain  ubiquitination  [47].  NS1  also  post‐transcriptionally  regulates  the expression  of  genes  via  interaction  with  the  3′  ploy(A)  tail  of  mRNA.  Qiu  and  Krug reported that NS1 protein inhibits the nuclear export of mRNAs containing 3′ poly(A) and concluded that NS1 is directly involved in the inhibition of host mRNA maturation via the interaction between NS1 and the poly(A) tail OF mRNA [48]. CPSF30 is an essential component of the mammalian pre‐mRNA 3′ end processing mechanism. Ud/NS1 protein directly  binds to CPSF30 to prevent 3′ end cleavage and polyadenylation of host pre‐ mRNA. Interaction between CPSF30 and NS1 inhibits 3′ end formation and the nuclear export of poly(A)‐containing mRNAs [33]. Also, PAB Ⅱ is required for the cleavage of host mRNA and plays a role in nuclear export. PAB Ⅱ function is blocked by NS1 binding.

Chen showed that individual NS1 protein forms complexes with CPSF30 and PAB Ⅱ in virus‐infected cells. By blocking the nuclear export of cellular host mRNA, NS1 shuts off cellular gene expression and non‐processing of the 3′ end. In contrast, the nuclear export of  viral  mRNA  is  not  obstructed,  because  the  poly(A)  tails  of  viral  mRNAs  are  not synthesized  by  the  cellular  processing  apparatus  [30].  Some  NS1  proteins  escape  the antiviral effects of IFNs and TNF‐α. For example, H5N1/97 NS1 showed resistance to

IFNs, TNF‐α, and cytokines in SJPL cells [49].

Upon stimulation, the innate immune system is activated in many ways. Maturate dendritic  cells  (DCs)  release  proinflammatory  cytokines  and  chemokines  and  expand innate lymphocyte populations. Interleukin (IL)‐12 and type Ⅰ IFNs stimulate the adaptive immune system of lymphocytes, the polarization of T helper type 1 (Th1) CD4+ T cells, and the development of cytotoxic T cells [50]. PR8/NS1 reduces the expressions of specific genes involved in DC maturation and migration, and NS1 protein acts as a bifunctional viral immunosuppressor that inhibits the innate IFN system and the adaptive immune system by interfering with host DC maturation and the activation of T‐cell responses [51].

H3N2 NS1‐tail can bind with PAF1. Human PAF1 complex (hPAF1C) consists of

PAF1, LEO1, CDC73, SKI8, CTR9, and RTF1. hPAF1C mediates transcriptional elongation of antiviral and pro‐inflammatory genes, and loss of hPAF1C by NS1 attenuates antiviral gene expression and increases vulnerability to virus infections [52].

3.3. OAS and PKR NS1 can directly inhibit the functions of cytoplasmic antiviral proteins such as 2′‐5′‐ oligoadenylate synthetase (OAS) and PKR. These two proteins were studied in a host IFN‐ induced  antiviral  and  antiproliferative  response  system.  dsRNA  activated  OAS synthesized 2′‐5′ oligoadenylates, and thus, stimulated latent RNase L, leading to viral

RNA  degradation.  IFN‐β  induced  antiviral  activity  after  RNase  L  activation  activated

OAS dependent on dsRNA. NS1 binding to dsRNA can inhibit the interaction between dsRNA and OAS [53,54]. NS1 also binds to PKR, a crucial host antiviral response protein.

After PKR activation following binding with dsRNA or PACT protein, PKR undergoes a conformational rearrangement and autophosphorylation, which leads to the phosphorylation  of  the  α  subunit  of  eukaryotic  initiation  factor‐2  (eIF‐2α).

Phosphorylation of eIF‐2α impedes the initiation of viral and cellular protein synthesis.

PKR also contributes to IFN response by activating NF‐κB and IRF1. NS1 binds to the linker  region  of  PKR  and  prevents  the  conformational  change  required  for  PKR autophosphorylation [31,55–57].

3.4. The Host RNAi Pathway and Apoptotic Response RNA interference (RNAi) is well‐conserved in eukaryotes. RNAi acts as a defense response against invading nucleic acids such as viruses. NS1 has been shown to inhibit

RNAi in plants and Drosophila melanogaster [58,59]. However, NS1 from the A/WSN/33 strain did not suppress RNAi in mammalian cells [60]. These results suggest that NS1 from different strains might act via mechanisms not involving the RNAi pathway.

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 6  of  13

The role of NS1 in apoptosis has not been clarified, as NS1 has both pro‐ and anti‐ apoptotic functions. Limiting apoptosis early during virus infection might promote viral genome  replication,  while  limiting  it  later  can  promote  the  propagation  of  influenza viruses and viral proteins. Autophosphorylation of PKR plays a key role in apoptosis during virus infection, and direct binding between PKR and NS1 can block PKR‐mediated cell death [37,57]. As described below, NS1 also limits apoptosis by activating the host cell phosphatidylinositol

3‐kinase (PI3K) pathway.

The NS1 of influenza/swine/Colorado/1/1997  might  induce  apoptosis.  NS1  interaction  with  heat shock protein 90 (Hsp90) induced the vulnerable interaction between Hsp90 and Apaf‐1 but promoted the interaction between Apaf‐1 and cytochrome c (Cyt c). These interactions activated caspase‐9‐ and 3‐related apoptosis in transfected A549 cells [61]

3.5. PI3K Signaling Pathway PI3K  consists  of  the  regulatory  subunit  (p85)  and  110  kDa  enzymatic  (p110) regulation downstream effector Akt/protein kinase B (PKB). The PI3K pathway controls essential  processes  in  cells,  such  as  metabolic  regulation,  growth,  anti‐apoptosis, proliferation, and cytokine production. Despite the PI3K‐induced activation of IRF3, PI3K upregulates virus titers during the late stage of the virus replication cycle. Lack of NS1 protein failed to activate the PI3K/Akt pathway and inhibition of PI3K signaling resulted in  impaired  viral  propagation  in  MDCK  and  A549  cells  [62,63].  Y89  of  NS1  is  highly conserved and interacts with the p85β regulatory isoform of PI3K, and the interaction between NS1 and p85β activates PI3K. Ud/NS1 containing the Y89F mutation grew more slowly in tissue culture than the wild‐type virus, which suggested that PI3K signaling plays an important role in virus replication in infected cells [64]. Heikkinen et al. reported that the NS1 proteins of birds, but not humans, enhance PI3K activation via the interaction between NS1 and Crk/CrkL. Details of cellular signaling involving NS1/PI3K/Crk remain to be clarified but this pathway could provide a useful target for novel anti‐influenza drugs [65].

4. Virulence of NS1 in Influenza A Viruses Influenza  NS1  protein  is  a  multifunctional  protein  that  counteracts  host  immune response, and thus, allows the virus to replicate efficiently in IFN response. Studies have demonstrated  that  the  NS1  gene  is  important  for  the  virulence  of  several  subtypes  of influenza in various species. For instance, the virus acquired the virulent of the NS1 gene

GS/GD/1/96 virus, which contains Ala 149. This mutation resulted in the antagonization of interferon induction in chicken embryo fibroblasts and proved highly pathogenic in chickens [66]. Deletion of residues 191 to 195 of NS1 in the SW/FJ/03 virus resulted in low pathogenicity and an inability to antagonize host IFN response in chickens. Deletion of these residues affected the ability of NS1 to bind to CPSF30 [67]. WSN viruses containing the  S42G  mutation  exhibited  increased  viral  replication  and  inhibited  INF  production during viral infection, but this was not accompanied by dsRNA binding ability [16]. C‐ terminally truncated NS1 virus in attenuated H7N7 virulence in mammalian and avian cells [68], and carboxy‐truncated NS1 in TX/98 viruses, were less able to suppress the INF system in pig cells [69]. Seo et al. reported that H5N1/97 virus, which contains glutamic acid at amino acid position 92 of NS1, exhibited resistance to the antiviral effects of INF and TNF‐α [49]. In addition, deletion of NS1 263 to 277, which are associated with D92E sift, in H5N1 viruses significantly increased virulence and replication in chickens and mice, and deletion of 5 amino acids, from 80 to 84, resulted in D92E sift in H5N1 and increased  virulence [70]. A recent large‐scale genome sequence  analysis  found that C‐ terminal residues of avian influenza virus NS1 proteins have a PDZ ligand domain of the

X‐S/T‐X‐V  type.  Proteins with  a PDZ domain  play  important  roles  in the localization, transport, and assembly of signaling complexes. Binding of the NS1 C‐terminus in the presence of PDZ‐binding proteins resulted in increased virulence, pathogenesis, and IFN‐ antagonism,  and  highly  pathogenic  avian  influenza  (HPAI)  virus‐containing  NS1  C‐

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 7  of  13

terminal  residues  (ESEV  or  EPEV)  showed  a  remarkable  increase  in  virulence  and pathogenicity in infected mice but did not influence virus growth [19].

5. Antiviral Compounds Targeting NS1 5.1. Small Molecules Targeting NS1 dsRNA is essential for NS1 dimerization and activation. Thus, the dsRNA and NS1 interaction is a potential target for small‐molecule inhibition. Structural and mutational analysis  showed  that  the  R38  of  the  RBD  of  NS1  is  vital  for  dsRNA  binding  [16].

Epigallocatechin  gallate  (EGCG)  significantly  decreased  viral  NS1  level  and  viral replication, and a thermal denaturation assay showed that EGCG might also interact with

NS1 at its dsRNA binding motif R38. Also, epicatechin gallate (ECG) effectively inhibited viral replication in infected MDCK cells [71]. Quinoxaline and EGCG have similar bicyclic ring structures. Compound 44 derived from quinoxaline inhibited Ud/72 virus growth

~10‐fold  in  infected  MDCK  cells.  Compound  44  did  not  interfere  with  the  interaction between NS1 and dsRNA, but likely functioned by binding to the NS1 dsRNA‐binding motif [72]. JJ3297 and A9 interact with the ED of NS1 in a hydrophobic pocket known to bind  CPSF30.  W187  in  ED  is  required  for  dimer  formation  and  the  forms  have  a hydrophobic pocket for binding to CPSF30. Interfering with this interaction might provide a useful strategy [73]. JJ3297 reduced virus replication ten‐fold and produced significant levels of IFN‐β in infected cells in the presence of RNase L, which is a critical downstream effector of IFN. Moreover, JJ3297 facilitated the induction of an IFN‐like antiviral state in infected cells. However, RNase L‐/‐ MEF cells were entirely resistant to JJ3297 treatment in mouse  embryo  fibroblast  (MEF)  cells  infected  with  A/PR/8  viruses  [74].  Drug development  based  on  JJ3297  resulted  in  compound  A22.  Chemical  shift  perturbation (CSP)  showed  that  A22  interacts  with  1918H1N1  and  Shaghai/1/2013H7N9  NS1  ED.

Furthermore, 2013H7N9 has spread in China and resulted in 1500 human infections with a

40% mortality rate [75]. Kleinpeter et al. reported that A22 interacts with the CPSF30‐ binding  pocket  and  interrupted  NS1‐CPSF30  binding  in  a  diverse  strain  of  IAV  and suggested it might be an effective antiviral [73]. In addition, molecular mechanics Poisson‐

Boltzmann  surface  area  (MM‐PBSA)  calculations  suggested  that  the  potential  anti‐ influenza inhibitors, 30256 and 31674, stably bind to the CPSF30‐binding site in NS1 with high  binding‐free  energy.  These  two  compounds  can  also  form  strong  hydrophobic interactions with the minor pocket of NS1 near W187. [76]. Basu et al. presented four compounds  that  suppress  NS1  function  and  effectively  inhibited  viral  replications  in

Hong Kong/19/68‐, WSN/33‐, and PR/8 IAV‐infected MDCK cells. In addition, three of these compounds (NSC128164, NSC109834, and NSC95676) strongly reduced viral M2 protein  and  RNA  levels.  However,  despite  NSC125044  significantly  increasing  IFN‐β mRNA  levels,  it  did  not  affect  viral  RNA  levels  [77].  NS1  antagonists  derived  from pyrazolopyridine inhibited PR/84 virus replication in MDCK cells. Compound 32 was a potent antiviral, as determined by IFN‐β mRNA levels, and showed no sign of treatment accumulation or toxicity in any organ [78]. Mata et al. identified an NS1 inhibitor by high‐ throughput  screening.  Compound  3  derived  from  naphthalimides  was  much  less cytotoxic and had a considerably longer half‐life than the other compounds examined. In addition, compound 3 reduced viral protein levels and replication but did not induce IFN production or mediated response. Notably, compound 3 did not show an antiviral effect in  the  absence  of  REDD1.  Influenza  viruses  stimulate  mTOR  complex  1  (mTORC1) signaling through the activation of Akt via T308 phosphorylation. The mTORC1 inhibitor

REDD1 induced the dephosphorylation of Akt T308 in infected cells. REDD1‐/‐ MEF cells produced  large  amounts  of  influenza  virus  proteins  2–3  h  earlier  and  were  highly permissive to virus replication. These results suggested that the induction of REDD1 by naphtalimides offers a novel means of inhibiting the mTORC1 pathway [79,80]. Baicalin‐ derived flavonoids residues Q40 and S42 interacted with NS1 in its 39–43 amino acid region,  disrupted  the  NS1–p85β  interaction,  and  thus,  reduced  Akt  phosphorylation.

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 8  of  13

Baicalin reduced virus replication and viral NP transcription in A549 cells infected with

H1N1/PR8. Also, the expressions of IFN‐α and IFN‐β were time‐dependently increased in the presence of baicalin. In contrast, the expressions of the antiviral genes RIG‐Ⅰ and PKR were noticeably decreased in cells treated with baicalin [81]. H5N1 avian influenza virus has caused infections in birds and poultry globally, and in chickens, has a mortality rate of up to 87.5%. The widespread nature of viral infections presents a potential pandemic threat to humans. Antisense oligonucleotides might be useful drugs for treating influenza viral infections as base‐pairing between viral DNA or RNA and oligonucleotides might interfere with viral transcription and replication. Wu et al. found that treatment with an oligonucleotide targeting NS1 significantly inhibited viral replication in chicken embryo fibroblast  cells  and  protected  chickens  from  virus‐induced  death  [82].  Influenza  virus inhibitors are summarized in Table 1.

Table 1. Small‐molecule inhibitors of influenza A.

Molecules Targeting Model Studied Effects Ref.

EGCG NS1 MDCK cells Decreased the viral NS1 level and viral replication [71]

Quinoxaline NS1 MDCK cells Inhibiting viral replication [72]

JJ3297 NS1 MEF cells Reduced virus replication and produce level of IFN [74]

A22 NS1 NMR Interrupt the NS1‐CPSF30 binding [75] Compound 32056,

31674 NS1 MM‐PBSA Binding with NS1 near the W187 [76]

NSC 109834, 128164, 95676, 125044 NS1 MDCK cells Reduced viral M2 protein and RNAs [77] pyrazolopyridine

NS1 MDCK cells Inhibition of virus replication [78]

Compound 3 NS1 MDCK cells Decreased viral protein and replication  [79,80]

Baicalin NS1 A549 cells Reduced virus replication and viral NP transcription [81]

RNA oligonucleotide NS1 chicken embryo fibroblast cells

Interference to the viral transcription and replication [82]

AG879, tyrphostin A9 Receptor tyrosine kinases A549 cells

Inhibit the Crm1 nuclear export pathway and viral RNA synthesis [83]

Quinoline acid dihydroorotate dehydrogenase MDCK cells

Inhibition of production pyrimidines that limits virus replication [84]

EGCG: Epigallocatechin gallate; NS1: Non‐structural protein 1; MDCK: Madin‐Darby Canine Kidney; IFN: Interferon;

MEF: Mouse embryonic fibroblast; MM‐PBSA: Molecular mechanics Poisson‐Boltzmann surface area.

5.2. Other Small Molecules Targeting Influenza Virus A

Receptor  tyrosine  kinase  (RTK)  signaling  triggers  diverse  pathways,  such  as  the

Ras/ERK/MAPK,  JAK/STAT3,  and  PI3K/Akt  pathways,  which  are  associated  with  cell growth, metabolism, differentiation, and migration. RTKs also play important roles in virus replication. RTK inhibitors (RTKIs), such as AG879 and tyrphostin A9, have strong antiviral  actions  against  influenza  A.  Viral  ribonucleoprotein  (vRNP)  complex  can  be exported to cytoplasm via the cellular Crm‐1‐mediated nuclear export pathway. In A549 cells infected with A/WSN viruses, treatment with AG879 or A9 directly inhibited the

Crm1 nuclear export pathway, which may have resulted in the accumulation and nuclear retention of influenza vRNPs. In addition, AG879 and tyrphostin A9 inhibit viral RNA synthesis  and  the  release  of  influenza  virus  particles  independently  of  the  NF‐κB pathway. Thus, TrkA signaling is crucially required for influenza virus replication. Three

TrkA inhibitors (AG879, GW441756, and K252a) suppressed influenza A virus replication in 549 cells infected with A/WSN viruses [83]. Cellular nucleotides containing pyrimidines

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 9  of  13

and purines play vital roles in RNA and DNA. Quinoline acid targets dihydroorotate dehydrogenase (DHODH), a host enzyme required for pyrimidine biosynthesis, which interferes  with  pyrimidine  production  and  limits  virus  replication.  Furthermore,  a

DHODH  inhibitor  suppressed  virus  protein  levels  and  virus  replication  and  reduced mRNA nuclear export mediated by NS1 [84].

6. Conclusion Influenza is an acute global public health problem that causes considerable morbidity and  mortality.  About  5–15%  of  the  population  are  infected  by  influenza  A  viruses.

Influenza  viruses  are  highly  contagious  and  pathogenic  and  cause  serious  respiratory disease in humans and diverse animal species. Currently, research efforts directed against the  virus  focus  on  preventative  vaccines  and  antiviral  drugs.  Vaccination  has  been  a highly effective strategy in terms of reducing the number of infections and deaths caused by  influenza  viruses.  However,  viral  antigenic  drift  dictates  that  novel  vaccines  be developed annually, and the effectiveness of these vaccines vary. In addition, antiviral agents against influenza have been developed that target the viral M2 ion channel and inhibit viral neuraminidase and polymerase, but the continuous increase in the number of resistant strains means that these drugs may be ineffective after a few years due to the appearance  of  new  strains.  Although  the  resistance  of  drugs  remains  unrevealed,  the increasing  emergence  of  various  drug‐resistant  influenza  strains  play  up  the  need  for continuous development of improved antiviral drugs and strategies, including rational use of currently available antivirals, drug combinations, and supervising influenza virus drug resistance. This situation highlights the need for additional anti‐influenza drugs that specifically target viral processes. NS1 is encoded by all strains of influenza and is a highly conserved  protein  that  plays  a  vital  role  in  evading  host  antiviral  response.  NS1  is  a dsRNA‐binding protein that can interact in diverse ways with cellular proteins. Binding of NS1 and dsRNA inhibits the OAS/RNase pathway of viral RNA degradation, and the

PKR‐dependent phosphorylation of eIF2‐α is inhibited by direct binding between NS1 and PKR. NS1 inhibits 3′‐end processing of cellular pr‐mRNAs and nuclear exporting by binding  to  CPSF30  and  PAB  Ⅱ.  Additionally,  NS1  acts  to  inhibit  IFN‐mediated  host antiviral  response.  NS1  blocks  the  induction  of  IFN  gene  transcription  and  mRNA maturation, and it was recently demonstrated that NS1 interacts with TRIM25, prevents

RIG‐Ⅰ ubiquitination, and thus, inhibits the synthesis of cellular IFN. Other functions of

NS1  include  the  induction  of  viral  gene  expression  and  the  mediation  of  host  cell apoptosis. Therefore, NS1 presents a high‐value target for the development of antiviral compounds that control viral replication and spread.

Funding: This research was funded by MEST (2018R1D1A1B07043701) to S.B.J. and (2016R1D1A1B02011142) to M.S.J.

Data Availability Statement: Not applicable.

Acknowledgments: This study was supported by the Basic Science Research Program through the

National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education, Science and

Technology (2018R1D1A1B07043701) to S.B.J. and (2016R1D1A1B02011142) to M.S.J.

Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest.

References 1.

Thompson, W.W.; Comanor, L.; Shay, D.K. Epidemiology of Seasonal Influenza: Use of Surveillance Data and Statistical Models to Estimate the Burden of Disease. J. Infect. Dis. 2006, 194, S82–S91, doi:10.1086/507558.

2.

Taubenberger, J.K.; Morens, D.M. 1918 Influenza: The mother of all pandemics. Emerg Infect Dis. 2006, 12, 69–79.

3.

Gambotto, A.; Barratt‐Boyes, S.M.; de Jong, M.D.; Neumann, G.; Kawaoka, Y. Human infection with highly pathogenic H5N1 influenza virus. Lancet 2008, 371, 1464–1475, doi:10.1016/s0140‐6736(08)60627‐3.

4.

Pada,  S.;  Tambyah,  P.A.  Overview/reflections  on  the  2009  H1N1  pandemic.  Microbes  Infect.  2011,  13,  470–478, doi:10.1016/j.micinf.2011.01.009.

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 10  of  13

5.

Shaw, M.; Palese, P. Orthomyxoviridae: The viruses and their replication. Fields Virology 2007, 5, 1647–1689.

6.

Horimoto, T.; Kawaoka, Y. Influenza: lessons from past pandemics, warnings from current incidents. Nat. Rev. Genet. 2005, 3,

591–600, doi:10.1038/nrmicro1208.

7.

Taubenberger, J.K.; Morens, D.M. The Pathology of Influenza Virus Infections. Annu. Rev. Pathol. Mech. Dis. 2008, 3, 499–522, doi:10.1146/annurev.pathmechdis.3.121806.154316.

8.

Smith, D.B.; Gaunt, E.R.; Digard, P.; Templeton, K.; Simmonds, P. Detection of influenza C virus but not influenza D virus in

Scottish respiratory samples. J. Clin. Virol. 2016, 74, 50–53, doi:10.1016/j.jcv.2015.11.036.

9.

Yuanchi),  G.Y.  (Kuo;  Fengen,  J.;  Ping,  W.;  Min,  W.;  Chinming),  Z.J.  (Chu  Isolation  of  Influenza  C  Virus  from  Pigs  and

Experimental Infection of Pigs with Influenza C Virus. J. Gen. Virol. 1983, 64, 177–182, doi:10.1099/0022‐1317‐64‐1‐177.

10.

Moscona, A. Neuraminidase Inhibitors for Influenza. New Engl. J. Med. 2005, 353, 1363–1373, doi:10.1056/nejmra050740.

11.

Hayden, F.G.; Sugaya, N.; Hirotsu, N.; Lee, N.; De Jong, M.D.; Hurt, A.C.; Ishida, T.; Sekino, H.; Yamada, K.; Portsmouth, S.; et al.  Baloxavir  Marboxil  for  Uncomplicated  Influenza  in  Adults  and  Adolescents.  New  Engl.  J.  Med.  2018,  379,  913–923, doi:10.1056/nejmoa1716197.

12.

Hayden,  F.G.;  Pavia,  A.T.  Antiviral  Management  of  Seasonal  and  Pandemic  Influenza.  J.  Infect.  Dis.  2006,  194,  S119–S126, doi:10.1086/507552.

13.

Ayllon, J.; García‐Sastre, A., The NS1 protein: a multitasking virulence factor. In Influenza Pathogenesis and Control; Springer:

Cham, Switzerland, 2014; Volume II, pp 73–107. https://doi.org/10.1007/82_2014_400

14.

Krug,  R.M.  Functions  of  the  influenza  A  virus  NS1  protein  in  antiviral  defense.  Curr.  Opin.  Virol.  2015,  12,  1–6, doi:10.1016/j.coviro.2015.01.007.

15.

Basler, C.F.; Aguilar, P.V. Progress in identifying virulence determinants of the 1918 H1N1 and the Southeast Asian H5N1 influenza A viruses. Antivir. Res. 2008, 79, 166–178, doi:10.1016/j.antiviral.2008.04.006.

16.

Donelan,  N.R.;  Basler,  C.F.;  García‐Sastre,  A.  A  recombinant  influenza  A  virus  expressing  an  RNA‐binding‐defective  NS1 protein induces high levels of beta interferon and is attenuated in mice. J. Virol. 2003, 77, 13257–13266.

17.

Egorov, A.; Brandt, S.; Sereinig, S.; Romanova, J.; Ferko, B.; Katinger, D.; Grassauer, A.; Alexandrova, G.; Katinger, H.; Muster,

T. Transfectant influenza A viruses with long deletions in the NS1 protein grow efficiently in Vero cells. J. Virol. 1998, 72, 6437–

6441.

18.

García‐Sastre, A.; Egorov, A.; Matassova, D.; Brandtbc, S.; Levy, D.E.; Durbin, J.E.; Palese, P.; Musterbc, T. Influenza A Virus

Lacking the NS1 Gene Replicates in Interferon‐Deficient Systems. Virol. 1998, 252, 324–330, doi:10.1006/viro.1998.9508.

19.

Jackson, D.; Hossain, J.; Hickman, D.; Perez, D.R.; Lamb, R.A. A new influenza virus virulence determinant: The NS1 protein four C‐terminal residues modulate pathogenicity. In Proceedings of the Proceedings of the National Academy of Sciences;

Proceedings of the National Academy of Sciences, 2008; Vol. 105, pp. 4381–4386.

20.

Wolstenholme, A.; Barrett, T.; Nichol, S.; Mahy, B. Influenza virus‐specific RNA and protein syntheses in cells infected with temperature‐sensitive mutants defective in the genome segment encoding nonstructural proteins. J. Virol. 1980, 35, 1–7.

21.

Yin, C.; Khan, J.A.; Swapna, G.V.T.; Ertekin, A.; Krug, R.M.; Tong, L.; Montelione, G.T. Conserved Surface Features Form the

Double‐stranded RNA Binding Site of Non‐structural Protein 1 (NS1) from Influenza A and B Viruses. J. Biol. Chem. 2007, 282,

20584–20592, doi:10.1074/jbc.m611619200.

22.

Hale,  B.G.  Conformational  plasticity  of  the  influenza  A  virus  NS1  protein.  J.  Gen.  Virol.  2014,  95,  2099–2105, doi:10.1099/vir.0.066282‐0.

23.

Chien, C.; Tejero, R.; Huang, Y.; Zimmerman, D.E.; Ríos, C.B.; Krug, R.M.; Montelione, G.T. A novel RNA‐binding motif in influenza A virus non‐structural protein 1. Nat. Struct. Biol. 1997, 4, 891–895.

24.

Wang, W.; Riedel, K.; Lynch, P.; Chien, C.‐Y.; Montelione, G.T.; Krug, R.M. RNA binding by the novel helical domain of the influenza virus NS1 protein requires its dimer structure and a small number of specific basic amino acids. RNA 1999, 5, 195–

205, doi:10.1017/s1355838299981621.

25.

Carrillo, B.; Choi, J.‐M.; Bornholdt, Z.A.; Sankaran, B.; Rice, A.P.; Prasad, B.V.V. The Influenza A Virus Protein NS1 Displays

Structural Polymorphism. J. Virol. 2014, 88, 4113–4122, doi:10.1128/jvi.03692‐13.

26.

Chien, C.‐y.; Xu, Y.; Xiao, R.; Aramini, J.M.; Sahasrabudhe, P.V.; Krug, R.M.; Montelione, G.T. Biophysical characterization of the complex between double‐stranded RNA and the N‐terminal domain of the NS1 protein from influenza A virus: Evidence for a novel RNA‐binding mode. Biochemistry 2004, 43, 1950–1962.

27.

Hatada,  E.;  Fukuda,  R.  Binding  of  influenza  A  virus  NS1  protein  to  dsRNA  in  vitro.  J.  Gen.  Virol.  1992,  73,  3325–3329, doi:10.1099/0022‐1317‐73‐12‐3325.

28.

Xia, S.; Monzingo, A.F.; Robertus, J.D. Structure of NS1A effector domain from the influenza A/Udorn/72 virus. Acta Crystallogr.

Sect. D Biol. Crystallogr. 2008, 65, 11–17, doi:10.1107/s0907444908032186.

29.

Mibayashi, M.; Martínez‐SobridoL.; Loo, Y.‐M.; CárdenasW.B.; Gale, M.; García‐SastreA. Inhibition of Retinoic Acid‐Inducible

Gene  I‐Mediated  Induction  of  Beta  Interferon  by  the  NS1  Protein  of  Influenza  A  Virus.  J.  Virol.  2006,  81,  514–524, doi:10.1128/jvi.01265‐06.

30.

Chen, Z.; Li, Y.; Krug, R.M. Influenza A virus NS1 protein targetspoly (A)‐binding protein II of the cellular 3′‐end processing machinery. EMBO J. 1999, 18, 2273–2283.

31.

Tan, S.‐L.; Katze, M.G. Biochemical and Genetic Evidence for Complex Formation Between the Influenza A Virus NS1 Protein and the Interferon‐induced PKR Protein Kinase. J. Interf. Cytokine Res. 1998, 18, 757–766, doi:10.1089/jir.1998.18.757.

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 11  of  13

32.

Burgui,  I.;  Aragón,  T.;  Ortín,  J.;  Nieto,  A.  PABP1  and  eIF4GI  associate  with  influenza  virus  NS1  protein  in  viral  mRNA translation initiation complexes. J. Gen. Virol. 2003, 84, 3263–3274, doi:10.1099/vir.0.19487‐0.

33.

Nemeroff, M.E.; Barabino, S.M.; Li, Y.; Keller, W.; Krug, R.M. Influenza virus NS1 protein interacts with the cellular 30 kDa subunit of CPSF and inhibits 3′ end formation of cellular pre‐mRNAs. Mol. Cell 1998, 1, 991–1000.

34.

Aramini, J.M.; Hamilton, K.; Ma, L.‐C.; Swapna, G.V.T.; Leonard, P.G.; Ladbury, J.E.; Krug, R.M.; Montelione, G.T. 19F NMR

Reveals Multiple Conformations at the Dimer Interface of the Nonstructural Protein 1 Effector Domain from Influenza A Virus.

Struct. 2014, 22, 515–525, doi:10.1016/j.str.2014.01.010.

35.

Aramini, J.M.; Ma, L.‐C.; Zhou, L.; Schauder, C.M.; Hamilton, K.; Amer, B.R.; Mack, T.R.; Lee, H.‐W.; Ciccosanti, C.T.; Zhao, L.; et al. Dimer interface of the effector domain of non‐structural protein 1 from influenza A virus an interface with multiple functions. J. Biol. Chem. 2011, 286, 26050–26060.

36.

Cheng, A.; Wong, S.M.; Yuan, Y.A. Structural basis for dsRNA recognition by NS1 protein of influenza A virus. Cell Res. 2008,

19, 187–195, doi:10.1038/cr.2008.288.

37.

Hale, B.G.; Randall, R.E.; Ortín, J.; Jackson, D. The multifunctional NS1 protein of influenza A viruses. J. Gen. Virol. 2008, 89,

2359–2376, doi:10.1099/vir.0.2008/004606‐0.

38.

MelénK.; Kinnunen, L.; Fagerlund, R.; Ikonen, N.; Twu, K.Y.; Krug, R.M.; Julkunen, I. Nuclear and Nucleolar Targeting of

Influenza  A  Virus  NS1  Protein:  Striking  Differences  between  Different  Virus  Subtypes.  J.  Virol.  2007,  81,  5995–6006, doi:10.1128/jvi.01714‐06.

39.

Li, Y.; Yamakita, Y.; Krug, R.M. Regulation of a nuclear export signal by an adjacent inhibitory sequence: The effector domain of the influenza virus NS1 protein. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1998, 95, 4864–4869.

40.

Marión, R.M.; Aragón, T.; Beloso, A.; Nieto, A.; Ortín, J. The N‐terminal half of the influenza virus NS1 protein is sufficient for nuclear retention of mRNA and enhancement of viral mRNA translation. Nucleic Acids Res. 1997, 25, 4271–4277.

41.

Aragón, T.; de la Luna, S.; Novoa, I.; Carrasco, L.; Ortín, J.; Nieto, A. Eukaryotic translation initiation factor 4GI is a cellular target for NS1 protein, a translational activator of influenza virus. Mol. Cell. Biol. 2000, 20, 6259–6268.

42.

Falcón, A.M.; Fortes, P.; Marión, R.M.; Beloso, A.; Ortín, J. Interaction of influenza virus NS1 protein and the human hom‐ologue of Staufen in vivo and in vitro. Nucleic Acids Res. 1999, 27, 2241–2247.

43.

Xu, K.; Klenk, C.; Liu, B.; Keiner, B.; Cheng, J.; Zheng, B.‐J.; Li, L.; Han, Q.; Wang, C.; Li, T.; et al. Modification of Nonstructural

Protein 1 of Influenza A Virus by SUMO1. J. Virol. 2010, 85, 1086–1098, doi:10.1128/jvi.00877‐10.

44.

Klemm, C.; Boergeling, Y.; Ludwig, S.; Ehrhardt, C. Immunomodulatory Nonstructural Proteins of Influenza A Viruses. Trends

Microbiol. 2018, 26, 624–636, doi:10.1016/j.tim.2017.12.006.

45.

Wang, X.; Li, M.; Zheng, H.; Muster, T.; Palese, P.; Beg, A.A.; Garcı́a‐Sastre, A. Influenza A virus NS1 protein prevents activation of NF‐κB and induction of alpha/beta interferon. J. Virol. 2000, 74, 11566–11573.

46.

Talon, J.; Horvath, C.M.; Polley, R.; Basler, C.F.; Muster, T.; Palese, P.; García‐SastreA. Activation of Interferon Regulatory Factor

3 Is Inhibited by the Influenza A Virus NS1 Protein. J. Virol. 2000, 74, 7989–7996, doi:10.1128/jvi.74.17.7989‐7996.2000.

47.

Gack, M.U.; Albrecht, R.A.; Urano, T.; Inn, K.‐S.; Huang, I.‐C.; Carnero, E.; Farzan, M.; Inoue, S.; Jung, J.U.; García‐Sastre, A.

Influenza A Virus NS1 Targets the Ubiquitin Ligase TRIM25 to Evade Recognition by the Host Viral RNA Sensor RIG‐I. Cell

Host Microbe 2009, 5, 439–449, doi:10.1016/j.chom.2009.04.006.

48.

Lu, Y.; Qian, X.‐Y.; Krug, R. M., The influenza virus NS1 protein: a novel inhibitor of pre‐mRNA splicing. Genes & development

1994, 8, (15), 1817–1828.

49.

Seo, S.H.; Hoffmann, E.; Webster, R.G. Lethal H5N1 influenza viruses escape host anti‐viral cytokine responses. Nat. Med. 2002,

8, 950–954, doi:10.1038/nm757.

50.

Steinman,  R.M.;  Hemmi,  H.  Dendritic  Cells:  Translating  Innate  to  Adaptive  Immunity.  Current  Topics  in  Microbiology  and

Immunology 2006, 311, 17–58, doi:10.1007/3‐540‐32636‐7_2.

51.

Fernandez‐Sesma, A.; Marukian, S.; Ebersole, B.J.; Kaminski, D.; Park, M.‐S.; Yuen, T.; Sealfon, S.C.; García‐SastreA.; Moran,

T.M.  Influenza  Virus  Evades  Innate  and  Adaptive  Immunity  via  the  NS1  Protein.  J.  Virol.  2006,  80,  6295–6304, doi:10.1128/jvi.02381‐05.

52.

Marazzi, I.; Ho, J.S.Y.; Kim, J.; Manicassamy, B.; Dewell, S.; Albrecht, R.A.; Seibert, C.W.; Schaefer, U.; Jeffrey, K.L.; Prinjha, R.K.; et  al.  Suppression  of  the  antiviral  response  by  an  influenza  histone  mimic.  Nat.  Cell  Biol.  2012,  483,  428–433, doi:10.1038/nature10892.

53.

Silverman, R.H. Viral encounters with 2′,5′‐oligoadenylate synthetase and RNase L during the interferon antiviral response. J.

Virol. 2007, 81, 12720–12729.

54.

Min, J.‐Y.; Krug, R.M. The primary function of RNA binding by the influenza A virus NS1 protein in infected cells: Inhibiting the 2′‐5′ oligo (A) synthetase/RNase L pathway. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 7100–7105.

55.

Min, J.‐Y.; Li, S.; Sen, G.C.; Krug, R.M. A site on the influenza A virus NS1 protein mediates both inhibition of PKR activation and temporal regulation of viral RNA synthesis. Virology 2007, 363, 236–243.

56.

Lu, Y.; Wambach, M.; Katze, M.G.; Krug, R.M. Binding of the Influenza Virus NS1 Protein to Double‐Stranded RNA Inhibits the  Activation  of  the  Protein  Kinase  That  Phosphorylates  the  eIF‐2  Translation  Initiation  Factor.  Virol.  1995,  214,  222–228, doi:10.1006/viro.1995.9937.

57.

Li, S.; Min, J.‐Y.; Krug, R.M.; Sen, G.C. Binding of the influenza A virus NS1 protein to PKR mediates the inhibition of its activation by either PACT or double‐stranded RNA. Virol. 2006, 349, 13–21, doi:10.1016/j.virol.2006.01.005.

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 12  of  13

58.

Li, W.‐X.; Li, H.; Lu, R.; Li, F.; Dus, M.; Atkinson, P.; Brydon, E.W.A.; Johnson, K.L.; García‐Sastre, A.; Ball, L.A.; et al. Interferon antagonist proteins of influenza and vaccinia viruses are suppressors of RNA silencing. In Proceedings of the Proceedings of the National Academy of Sciences; Proceedings of the National Academy of Sciences, 2004; Vol. 101, pp. 1350–1355.

59.

Bucher, E.; Hemmes, H.; De Haan, P.; Goldbach, R.; Prins, M. The influenza A virus NS1 protein binds small interfering RNAs and suppresses RNA silencing in plants. J. Gen. Virol. 2004, 85, 983–991, doi:10.1099/vir.0.19734‐0.

60.

Kok, K.H.; Jin, D.‐Y. Influenza A virus NS1 protein does not suppress RNA interference in mammalian cells. J. Gen. Virol. 2006,

87, 2639–2644, doi:10.1099/vir.0.81764‐0.

61.

Zhang, C.; Yang, Y.; Zhou, X.; Yang, Z.; Liu, X.; Cao, Z.; Song, H.; He, Y.; Huang, P. The NS1 protein of influenza a virus interacts with heat shock protein Hsp90 in human alveolar basal epithelial cells: Implication for virus‐induced apoptosis. Virol. J. 2011,

8, 181, doi:10.1186/1743‐422x‐8‐181.

62.

Ehrhardt, C.; Marjuki, H.; Wolff, T.; Nürnberg, B.; Planz, O.; Pleschka, S.; Ludwig, S. Bivalent role of the phosphatidylinositol‐

3‐kinase (PI3K) during influenza virus infection and host cell defence. Cell. Microbiol. 2006, 8, 1336–1348.

63.

Ehrhardt, C.; Wolff, T.; Pleschka, S.; Planz, O.; Beermann, W.; Bode, J.G.; Schmolke, M.; Ludwig, S. Influenza A Virus NS1

Protein  Activates  the  PI3K/Akt  Pathway  To  Mediate  Antiapoptotic  Signaling  Responses.  J.  Virol.  2007,  81,  3058–3067, doi:10.1128/jvi.02082‐06.

64.

Hale,  B.G.;  Jackson,  D.;  Chen,  Y.‐H.;  Lamb,  R.A.;  Randall,  R.E.  Influenza  A  virus  NS1  protein  binds  p85β  and  activates phosphatidylinositol‐3‐kinase signaling. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 14194–14199.

65.

Heikkinen, L.S.; Kazlauskas, A.; Melén, K.; Wagner, R.; Ziegler, T.; Julkunen, I.; Saksela, K. Avian and 1918 Spanish influenza a virus NS1 proteins bind to Crk/CrkL Src homology 3 domains to activate host cell signaling. J. Biol. Chem. 2008, 283, 5719–5727.

66.

Li, Z.; Jiang, Y.; Jiao, P.; Wang, A.; Zhao, F.; Tian, G.; Wang, X.; Yu, K.; Bu, Z.; Chen, H. The NS1 Gene Contributes to the

Virulence of H5N1 Avian Influenza Viruses. J. Virol. 2006, 80, 11115–11123, doi:10.1128/jvi.00993‐06.

67.

Zhu, Q.; Yang, H.; Chen, W.; Cao, W.; Zhong, G.; Jiao, P.; Deng, G.; Yu, K.; Yang, C.; Bu, Z.; et al. A Naturally Occurring Deletion in  Its  NS  Gene  Contributes to  the  Attenuation  of  an  H5N1  Swine Influenza  Virus  in  Chickens.  J. Virol.  2007,  82,  220–228, doi:10.1128/jvi.00978‐07.

68.

Kochs, G.; Koerner, I.; Thiel, L.; Kothlow, S.; Kaspers, B.; Ruggli, N.; Summerfield, A.; Pavlovic, J.; Stech, J.; Staeheli, P. Properties of H7N7 influenza A virus strain SC35M lacking interferon antagonist NS1 in mice and chickens. J. Gen. Virol. 2007, 88, 1403–

1409, doi:10.1099/vir.0.82764‐0.

69.

SolórzanoA.; Webby, R.J.; Lager, K.M.; Janke, B.H.; García‐SastreA.; Richt, J.A. Mutations in the NS1 Protein of Swine Influenza

Virus Impair Anti‐Interferon Activity and Confer Attenuation in Pigs. J. Virol. 2005, 79, 7535–7543, doi:10.1128/jvi.79.12.7535‐

7543.2005.

70.

Long, J.‐X.; Peng, D.‐X.; Liu, Y.‐L.; Wu, Y.‐T.; Liu, X.‐F. Virulence of H5N1 avian influenza virus enhanced by a 15‐nucleotide deletion in the viral nonstructural gene. Virus Genes 2008, 36, 471–478, doi:10.1007/s11262‐007‐0187‐8.

71.

Cho, E.J.; Xia, S.; Ma, L.‐C.; Robertus, J.; Krug, R.M.; Anslyn, E.V.; Montelione, G.T.; Ellington, A.D. Identification of Influenza

Virus Inhibitors Targeting NS1A Utilizing Fluorescence Polarization–Based High‐Throughput Assay. J. Biomol. Screen. 2012, 17,

448–459.

72.

You, L.; Cho, E.J.; Leavitt, J.; Ma, L.‐C.; Montelione, G.T.; Anslyn, E.V.; Krug, R.M.; Ellington, A.; Robertus, J.D. Synthesis and evaluation of quinoxaline derivatives as potential influenza NS1A protein inhibitors. Bioorganic Med. Chem. Lett. 2011, 21, 3007–

3011.

73.

Kleinpeter, A.B.; Jureka, A.S.; Falahat, S.M.; Green, T.J.; Petit, C.M. Structural analyses reveal the mechanism of inhibition of influenza virus NS1 by two antiviral compounds. J. Biol. Chem. 2018, 293, 14659–14668, doi:10.1074/jbc.ra118.004012.

74.

Walkiewicz, M.P.; Basu, D.; Jablonski, J.J.; Geysen, H.M.; Engel, D.A. Novel inhibitor of influenza non‐structural protein 1 blocks multi‐cycle replication in an RNase L‐dependent manner. J. Gen. Virol. 2010, 92, 60–70, doi:10.1099/vir.0.025015‐0.

75.

Kile, J.C.; Ren, R.; Liu, L.; Greene, C.M.; Roguski, K.; Iuliano, A.D.; Jang, Y.; Jones, J.; Thor, S.; Song, Y.; et al. Update: Increase in Human Infections with Novel Asian Lineage Avian Influenza A(H7N9) Viruses During the Fifth Epidemic—China, October

1, 2016–August 7, 2017. MMWR Morb. Mortal. Wkly. Rep. 2017, 66, 928. http://dx.doi.org/10.15585/mmwr.mm6635a2

76.

Ai, H.; Zhang, L.; Chang, A.K.; Wei, H.; Che, Y.; Liu, H. Virtual screening of potential inhibitors from TCM for the CPSF30 binding site on the NS1A protein of influenza A virus. J. Mol. Model. 2014, 20, 1–10, doi:10.1007/s00894‐014‐2142‐7.

77.

Basu, D.; Walkiewicz, M.P.; Frieman, M.; Baric, R.S.; Auble, D.T.; Engel, D.A. Novel Influenza Virus NS1 Antagonists Block

Replication and Restore Innate Immune Function. J. Virol. 2008, 83, 1881–1891, doi:10.1128/jvi.01805‐08.

78.

Patnaik,  S.;  Basu,  D.;  Southall, N.;  Dehdashti,  S.;  Wan,  K.K.;  Zheng,  W.;  Ferrer,  M.;  Taylor,  M.;  Engel,  D.A.;  Marugan,  J.J.

Identification, design and synthesis of novel pyrazolopyridine influenza virus nonstructural protein 1 antagonists. Bioorganic

Med. Chem. Lett. 2019, 29, 1113–1119, doi:10.1016/j.bmcl.2019.02.027.

79.

Kuss‐Duerkop,  S.K.;  Wang,  J.;  Mena,  I.;  White,  K.;  Metreveli,  G.;  Sakthivel,  R.;  Mata,  M.A.;  Muñoz‐Moreno,  R.;  Chen,  X.;

Krammer, F.; et al. Influenza virus differentially activates mTORC1 and mTORC2 signaling to maximize late stage replication.

PLOS Pathog. 2017, 13, e1006635, doi:10.1371/journal.ppat.1006635.

80.

Mata, M.A.; Satterly, N.; Versteeg, G.A.; Frantz, D.; Wei, S.; Williams, N.; Schmolke, M.; Peña‐Llopis, S.; Brugarolas, J.; Forst,

C.V.;  et al. Chemical  inhibition  of RNA viruses  reveals REDD1 as  a  host defense  factor.  Nat.  Chem. Biol. 2011, 7,  712–719, doi:10.1038/nchembio.645.

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 13  of  13

81.

Nayak, M.K.; Agrawal, A.S.; Bose, S.; Naskar, S.; Bhowmick, R.; Chakrabarti, S.; Sarkar, S.; Chawla‐Sarkar, M. Antiviral activity of baicalin against influenza virus H1N1‐pdm09 is due to modulation of NS1‐mediated cellular innate immune responses. J.

Antimicrob. Chemother. 2014, 69, 1298–1310.

82.

Wu, Y.; Zhang, G.; Li, Y.; Jin, Y.; Dale, R.; Sun, L.‐Q.; Wang, M. Inhibition of highly pathogenic avian H5N1 influenza virus replication by RNA oligonucleotides targeting NS1 gene. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2008, 365, 369–374.

83.

Kumar, N.; Liang, Y.; Parslow, T.G.; Liang, Y.; Liang, Y. Receptor Tyrosine Kinase Inhibitors Block Multiple Steps of Influenza

A Virus Replication. J. Virol. 2011, 85, 2818–2827, doi:10.1128/jvi.01969‐10.

84.

Zhang, L.; Das, P.; Schmolke, M.; Manicassamy, B.; Wang, Y.; Deng, X.; Cai, L.; Tu, B.P.; Forst, C.V.; Roth, M.G.; et al. Inhibition of pyrimidine synthesis reverses viral virulence factor‐mediated block of mRNA nuclear export. J. Cell Biol. 2012, 196, 315–326, doi:10.1083/jcb.201107058.

📖 中文全文 Chinese Full Text

中文

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242. https://doi.org/10.3390/ijms22084242 www.mdpi.com/journal/ijms 综述 NS1流感病毒蛋白的结构与活性及小分子药物研发进展 Hyeonjin Kim 1, Misuk Jeong 2,* 和 Sebok Jang 1,* 1 韩国釜山,金井区长箭洞,釜山国立大学自然科学学院分子生物学系,46241;khjkhj0903@naver.com 2 韩国釜山,金井区长箭洞,釜山国立大学,塑料信息与能源材料研究所及光伏能源可持续利用研究中心,46241 * 通讯作者:123misuk@pusan.ac.kr (M.S.J.) 和 sbjang@pusan.ac.kr (S.B.J.); 电话:+82-51-510-2523 (M.S.J. & S.B.J.);传真:+82-51-581-2544 (M.S.J. & S.B.J.)

摘要:流感病毒在全球范围内引起人类疾病,并导致显著的发病率和死亡率。现有的疫苗接种策略仍易受抗原漂移的影响,更严重的是,少数病毒突变即可导致耐药性。因此,迫切需要开发新的基于小分子的抗流感病毒附加疗法。流感NS1基因在抑制宿主抗病毒反应中发挥关键作用,特别是通过抑制干扰素(IFN)的产生以及抗病毒蛋白的活性,如dsRNA依赖性丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶R(PKR)和2′-5′-寡腺苷酸合成酶(OAS)/RNase L。NS1还调节病毒RNA复制、病毒蛋白合成和病毒复制周期的重要方面。综上所述,靶向NS1的小分子被认为提供了一种开发新型抗流感药物的手段。 关键词:NS1;甲型流感病毒;小分子;药物;抑制剂

1. 引言 流感病毒引起严重影响公共健康的呼吸道感染,通常表现为季节性流行和间歇性大流行,导致数千人死亡[1]。世界卫生组织估计,流感每年在美国造成60万人住院和4万人死亡。最严重的大流行是1918年的西班牙流感大流行(1918H1N1),在八个月内导致全球5000万至1亿人死亡[2]。尽管禽流感H5N1尚未实现人际间传播,但少数因与鸟类直接接触而感染的人群中死亡率高达60%[3]。另一方面,导致2009年大流行的猪流感(H1N1)则具有高传播率和低毒力[4]。由于这些原因,季节性流感的控制面临着重大挑战。

这些病毒属于正粘病毒科的有包膜病毒,表面糖蛋白血凝素(HA)和神经氨酸酶(NA)决定了流感病毒的亚型和免疫原性蛋白。它们具有分节段的负链RNA基因组,由8个病毒RNA节段组成,编码11种蛋白质。这些病毒被分类为甲、乙、丙三型。甲型和乙型流感病毒的基因组由8个单链负义RNA节段组成,而丙型流感病毒只有7个[5,6]。甲型流感病毒引起人类大多数有症状的感染,但它们可感染多种物种,包括猪、狗、猫、马、人类和其他哺乳动物。相反,乙型流感病毒只感染人类。丙型流感病毒在猪中表现出季节性活动,并在猪之间传播[7–9]。

引用:Kim, H.J.; Jeong, M.S.; Jang, S.B. Structure and Activities of the NS1 Influenza Protein and Progress in the Development of Small‐Molecule Drugs. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242. https://doi.org/10.3390/ijms22084242 学术编辑:Dharmendra Kumar Yadav 收稿日期:2021年3月18日 接受日期:2021年4月18日 出版日期:2021年4月19日 出版商注:MDPI对已出版地图和机构附属关系中的管辖权主张保持中立。

版权所有:© 2021 作者。被许可方MDPI,瑞士巴塞尔。本文为开放获取文章,依据知识共享署名(CC BY)许可协议(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)分发。

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 第2页(共13页)

为了在自然界中生存,流感病毒进化出了多种机制以逃避宿主免疫系统。少数药物已被批准用于流感的治疗。金刚烷类抗病毒药物靶向病毒脱壳所需的病毒M2离子通道,并抑制病毒神经氨酸酶蛋白。最近,FDA批准了巴洛沙韦玛波西尔,其靶向病毒聚合酶[10,11]。然而,关于其疗效、耐药性和成本的临床担忧仍然存在[12]。因此,对大流行的有效应对似乎需要广泛的抗病毒药物。

2. NS1蛋白的结构 非结构蛋白1(NS1)是一个具有吸引力的新型抗病毒靶点。NS1的遗传分析表明,它参与病毒复制、致病性、传播和逃避宿主细胞先天免疫系统的多个过程[13–20]。NS1由所有甲型流感病毒株编码,且高度保守[21]。不同毒株的NS1蛋白长度在230至237个氨基酸之间变化[5]。NS1在感染早期阶段在细胞核内积累,随后进入细胞质。该蛋白具有两个功能结构域,即N端RNA结合结构域(RBD,残基1–73)和C端效应结构域(ED,残基88–202),两者由短链间连接区(LR)连接。形成C端尾部(CTT)的NS1其余残基呈内在无序状态,且当NS1与宿主细胞蛋白相互作用或由于翻译后修饰时,该区域的构象可发生改变[22]。RBD二聚体由一个单体的三个α-螺旋与另一个单体的三个α-螺旋互锁形成,呈六螺旋对称排列[23]。NS1的K41和R38对双链RNA(dsRNA)结合至关重要。此外,K41A突变降低了NS1对dsRNA的亲和力,而R38A突变则完全消除了dsRNA结合[24]。NS1的柔性LR具有一个涵盖残基74至77的短Ⅰ型β-转角,并作为机械铰链,允许RBD和ED区域相对移动[25]。每个ED单体具有7个β-折叠和3个α-螺旋。CTT已被用于确定NS1结构,但全长结构尚未被解析(图1)。

RBD结构域以低亲和力结合dsRNA,并保护病毒免受干扰素α/β诱导的抗病毒状态的影响[26–28]。NS1的RBD与视黄酸诱导基因Ⅰ(RIG-Ⅰ;一种细胞质病原体传感器)的结合抑制了宿主细胞的病毒检测能力[29]。NS1的C端主要与宿主细胞蛋白相互作用,如翻译起始因子4G1(eIF4G1)、dsRNA依赖性丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶R(PKR)和多聚腺苷酸结合蛋白Ⅱ(PAB Ⅱ),并切割多聚腺苷酸特异性因子(CPSF30)的30 kDa亚基[30–33]。NS1是组成型同源二聚体,其二聚化由RBD之间的高亲和力相互作用介导,而多聚化则依赖于ED中的W187[34,35]。二聚化对于dsRNA与NS1-dsRNA复合物之间的1:1结合至关重要[26,36]。NS1主要定位于细胞核,但在细胞质中也可发现相当数量的NS1[37]。NS1在其RBD中含有一个高度保守的核定位序列(NLS),利用Arg35、Arg38和Lys41结合dsRNA,尽管一些病毒株在C端具有第二个NLS。与NLS的C端同时存在的是一个功能性核仁定位信号[38],而核输出信号(NES)位于残基138–147内[39]。

Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 4242 第3页(共13页)

(A) (B) 图1. NS1的结构分析。(A) 全长NS1结构域及相互作用蛋白的示意图。NS1由RNA结合结构域(RBD)、连接区(LR)、效应结构域(ED)和C端尾部(CTT)组成。RBD结合dsRNA以抑制干扰素(INF)诱导,而C端ED区介导与几种宿主细胞蛋白的相互作用。(B) 源自H6N6 NS1 X射线结构(PDB ID: 4OPA)的NS1二聚体,显示两个RBD之间的相互作用。

3. NS1在感染细胞中的功能 3.1. 病毒mRNA的翻译 NS1可与病毒mRNA的5′非翻译区(5′UTR)结合,这种结合增强了病毒翻译,但不增强细胞mRNA的翻译。Marion等人报道,NS1的N端在COS-1细胞中刺激病毒mRNA翻译发挥关键作用[40]。在转染的COS-1细胞中,NS1与eIF4G1(eIF4F的大亚基,残基81–113)共免疫沉淀(图2)[41]。此外,NS1的残基1和81以不依赖RNA的方式与PABPⅠ的残基365和535相互作用。此外,这些相互作用表明可能存在NS1-PABPⅠ-eIF4G1异三聚体复合物[32]。Falcon等人报道,hStaufen在双杂交基因陷阱中与NS1相互作用,其可与dsRNA和微管蛋白结合[42]。NS1将eIF4G1、PABP和hStaufen招募到病毒mRNA的5′ UTR,从而促进病毒mRNA翻译。此外,NS1的K219和K221的SUMO化(小泛素样修饰物偶联)加速了病毒复制,并略微增加了WSN转染细胞中高致病性H5N1毒株的病毒滴度。相反,K41的ISG化(也称为ISG15修饰)破坏了NS1与importin α之间的相互作用,从而中断了NS1的核输入并降低了病毒复制[43,44]。

图2. NS1蛋白在感染细胞的细胞质和细胞核中的功能概述。NS1作为流感病毒的INF拮抗剂发挥至关重要的作用。NS1在转录前阶段通过阻断RIG-Ⅰ的激活来抑制IFN诱导,并在翻译后水平通过抑制PKR和OAS/RNase L的抗病毒特性来抑制IFN诱导。此外,NS1破坏细胞mRNA的加工和核输出。NS1增强病毒mRNA翻译,且NS1激活PI3K通路是感染细胞中病毒复制所必需的。

3.2. 人体免疫系统的反应 宿主细胞具有通过激活先天干扰素(IFN)系统对病毒感染作出快速反应的潜能,这可限制病毒的复制和传播。NS1已被证明是干扰素信号通路的通用抑制剂,据报道,感染NS1缺失病毒在293细胞中诱导的IFN刺激报告基因量比野生型病毒低10–100倍[18]。流感PR8/NS1阻止了病毒和/或dsRNA介导的IFN调节因子3(IRF3)和NF-κB的激活,这对干扰素系统至关重要[45,46]。在病毒感染时,RIG-Ⅰ以5′-三磷酸依赖的方式识别病毒RNA,并启动MAVS/VISA/IPS-1/Cardif的抗病毒信号级联反应。泛素连接酶三基序25(TRIM25)介导RIG-Ⅰ的K63连接泛素化,这对RIG-Ⅰ信号通路至关重要,而PR8/NS1的E96和E97残基直接与TRIM25的卷曲螺旋结构域相互作用,从而干扰TRIM25寡聚化和RIG-Ⅰ CARD结构域泛素化[47]。NS1还通过与mRNA的3′ poly(A)尾相互作用在转录后调节基因表达。Qiu和Krug报道,NS1蛋白抑制含有3′ poly(A)的mRNA的核输出,并得出结论:NS1通过NS1与mRNA的poly(A)尾之间的相互作用直接参与抑制宿主