La proteína Matrix-2 (M2) es una viroporina selectiva de protones , integral en la envoltura viral del virus de la influenza A. El canal en sí es un homotetrámero (consta de cuatro unidades M2 idénticas), donde las unidades son hélices estabilizadas por dos enlaces disulfuro , y se activa con un pH bajo. La proteína M2 está codificada en el séptimo segmento de ARN junto con la proteína M1 . La conductancia de protones por parte de la proteína M2 en la influenza A es esencial para la replicación viral.
Los virus de la influenza B y C codifican proteínas con funciones similares, denominadas "BM2" y "CM2", respectivamente. Comparten pocas similitudes con M2 a nivel de secuencia, a pesar de que su estructura y mecanismo generales son similares. [1]
En el virus de la influenza A, la unidad proteica M2 consta de tres segmentos proteicos que comprenden 97 residuos de aminoácidos: (i) un dominio N-terminal extracelular (residuos 1-23); (ii) un segmento transmembrana (TMS) (residuos 24-46); (iii) un dominio C-terminal intracelular (residuos 47-97). El TMS forma el poro del canal iónico. Los residuos importantes son el imidazol de His37 (sensor de pH) y el indol de Trp41 (puerta). [2] Este dominio es el objetivo de los medicamentos antigripales, amantadina y su derivado etílico rimantadina , y probablemente también el derivado metílico de rimantadina, adapromina . Los primeros 17 residuos de la cola citoplasmática M2 forman una hélice anfipática altamente conservada. [3]
Los residuos de hélice anfipática (46-62) dentro de la cola citoplasmática desempeñan un papel en la gemación y el ensamblaje del virus . El virus de la influenza utiliza estas hélices anfipáticas en M2 para alterar la curvatura de la membrana en el cuello de gemación del virus de una manera dependiente del colesterol. [4] Los residuos 70-77 de la cola citoplasmática son importantes para la unión a M1 y para la producción eficiente de partículas virales infecciosas. Esta región también contiene un dominio de unión a caveolina (CBD). El extremo C-terminal del canal se extiende en un bucle (residuos 47-50) que conecta el dominio transmembrana con la hélice anfipática C-terminal . (46-62). Se han descrito dos estructuras diferentes de alta resolución de formas truncadas de M2: la estructura cristalina de una forma mutada de la región transmembrana de M2 (residuos 22-46), [5] así como una versión más larga de la proteína (residuos 18-60) que contiene la región transmembrana y un segmento del dominio C-terminal estudiado por resonancia magnética nuclear (RMN). [6]
Las dos estructuras también sugieren diferentes sitios de unión para la clase de adamantano de medicamentos antigripales. De acuerdo con la estructura cristalina de bajo pH, una sola molécula de amantadina se une en el medio del poro, rodeada por los residuos Val27, Ala30, Ser31 y Gly34. En contraste, la estructura de RMN mostró que cuatro moléculas de rimantadina se unen a la superficie externa del poro orientada hacia los lípidos, interactuando con los residuos Asp44 y Arg45. Sin embargo, una estructura reciente de espectroscopia de RMN de estado sólido muestra que el canal M2 tiene dos sitios de unión para la amantadina, un sitio de alta afinidad está en el lumen N-terminal y un segundo sitio de baja afinidad en la superficie de la proteína C-terminal. [7]
El canal iónico M2 de ambos virus de la gripe A es altamente selectivo para los protones. El canal se activa con un pH bajo y tiene una conductancia baja. [8] Los residuos de histidina en la posición 37 (His37) son responsables de esta selectividad de protones y modulación del pH. Cuando His37 se reemplaza con glicina, alanina, ácido glutámico, serina o treonina, se pierde la actividad selectiva de protones y el mutante puede transportar también iones Na + y K + . Cuando se agrega un tampón de imidazol a las células que expresan proteínas mutantes, la selectividad iónica se recupera parcialmente. [9]
Acharya et al. sugirieron que el mecanismo de conducción implica el intercambio de protones entre las fracciones imidazol His37 de M2 y aguas confinadas al interior del haz M2. [10] Las moléculas de agua dentro del poro forman redes unidas por enlaces de hidrógeno o "cables de agua" desde la entrada del canal hasta His37. Los grupos carbonilo que recubren el poro están bien situados para estabilizar los iones hidronio a través de interacciones de segunda capa que involucran moléculas de agua que forman puentes. Un cambio colectivo de orientaciones de enlaces de hidrógeno puede contribuir a la direccionalidad del flujo de protones a medida que His37 se protona y desprotona dinámicamente en el ciclo de conducción. [11] Los residuos de His37 forman una estructura similar a una caja, limitada a ambos lados por grupos de agua con átomos de oxígeno bien ordenados cerca. La conformación de la proteína, que es intermedia entre las estructuras resueltas previamente a pH más alto y más bajo, sugiere un mecanismo por el cual los cambios conformacionales podrían facilitar la difusión asimétrica a través del canal en presencia de un gradiente de protones. Además, los protones que se difunden a través del canal no necesitan estar localizados en un solo imidazol His37, sino que pueden estar deslocalizados en toda la caja His y los grupos de agua asociados.
La proteína del canal M2 es un componente esencial de la envoltura viral debido a su capacidad de formar un canal de conducción de protones altamente selectivo y regulado por el pH. El canal de protones M2 mantiene el pH a lo largo de la envoltura viral durante la entrada celular y a lo largo de la membrana trans-Golgi de las células infectadas durante la maduración viral. A medida que el virus ingresa a la célula huésped por endocitosis mediada por receptores , se produce la acidificación endosómica . Este pH bajo activa el canal M2, que lleva protones al núcleo del virión. La acidificación del interior del virus conduce al debilitamiento de la interacción electrostática y conduce a la disociación entre M1 y los complejos de ribonucleoproteína viral (RNP). La posterior fusión de la membrana libera las RNP sin recubrimiento en el citoplasma, que se importan al núcleo para iniciar la replicación viral.
Después de su síntesis dentro de la célula huésped infectada, M2 se inserta en el retículo endoplasmático (RE) y se transporta a la superficie celular a través de la red trans-Golgi (TGN). Dentro de la TGN ácida, M2 transporta iones H + fuera del lumen y mantiene la configuración metaestable de la hemaglutinina (HA). [12] En su localización TGN, se ha demostrado que la actividad del canal iónico de la proteína M2 activa eficazmente la vía del inflamasoma NLRP3 . [13]
Otras funciones importantes de M2 son su papel en la formación de cepas filamentosas de influenza, la escisión de la membrana y la liberación del virión en gemación. M2 estabiliza el sitio de gemación del virus y las mutaciones de M2 que impiden su unión a M1 pueden perjudicar la formación de filamentos en el sitio de gemación.
La reacción de transporte generalizada catalizada por el canal M2 es:
El fármaco antigripal amantadina es un bloqueador específico del canal M2 H + . El fármaco se une al poro central y lo ocluye. [14] En presencia de amantadina, la desprotección y el desmontaje virales son incompletos. [15] Las mutaciones que confieren resistencia a los fármacos adamantanos , incluidos amantadina y rimantadina , se producen en la región transmembrana y están muy extendidas. La gran mayoría de los virus resistentes son portadores de la mutación S 31 N. [16] La resistencia a los adamantanos entre los virus de la gripe A circulantes varía según la región, pero ha aumentado significativamente a nivel mundial desde principios de la década de 2000. [16] [17] Los CDC de EE. UU. han publicado información que indica que la mayoría de las cepas circulantes son ahora resistentes a los dos fármacos disponibles y, a junio de 2021, no se recomienda su uso. [18]
Los virus de la influenza B y C codifican proteínas virionales con una función de transducción de protones similar, denominadas "BM2" y "CM2", respectivamente. Comparten poca similitud con M2 a nivel de secuencia, a pesar de una estructura y un mecanismo generales similares. [1] [19]
La proteína M2 de la influenza B tiene 109 residuos de longitud, es un homotetrámero y es un homólogo funcional de la proteína de la influenza A. Casi no existe homología de secuencia entre la influenza AM2 y la BM2, excepto por el motivo de secuencia HXXXW en el TMS que es esencial para la función del canal. Su perfil de pH de conductancia de protones es similar al de la AM2. Sin embargo, la actividad del canal BM2 es mayor que la de la AM2, y la actividad de BM2 es completamente insensible a la amantadina y la rimantadina. [1] La estructura del canal de la influenza B a resoluciones de 1,4-1,5 Å, publicada en 2020, reveló que el mecanismo de apertura del canal es diferente al del canal de la influenza A. [20]
El CM2 puede desempeñar un papel en el empaquetamiento del genoma en los viriones. [21] El CM2 ajusta el pH intracelular y es capaz de reemplazar al M2 de la influenza A en esta capacidad. [22]