宿主细胞对HIV-1复制的限制性

贾彦辉， 徐庆刚

(江苏大学生命科学研究院，镇江 212013)

在20世纪80年代，科学家们发现了一种严重威胁人类健康的传染病——获得性免疫缺陷综合征(acquired immunodeficiency syndrome AIDS)，一般称为艾滋病；根据血清学和基因序列的差异，HIV分为两个型，即HIV-1 和 HIV-2。目前全球流行的艾滋病主要是由HIV-1 引起的。HIV-1主要感染人的CD4+T淋巴细胞，导致人的免疫机能下调。单核细胞在宿主免疫系统中发挥着重要的作用。树突状细胞(DCs)是免疫系统中最重要的抗原呈递细胞(antigen presenting cell,APCs)，其最大的特点是能够显著刺激初始性T细胞进行增殖因而被认为是机体免疫应答的始动者。当有外界病原体入侵时，单核细胞可以被刺激分化为树突状细胞(DCs)和巨噬细胞，发挥免疫作用。单核细胞是HIV-1感染的潜伏库，提示单核细胞在病毒致病过程中的作用[1， 2]。虽然单核细胞表达HIV-1的受体和辅助受体，但是它们并不支持HIV-1的复制性感染，当它们分化为树突状细胞(DCs)或者巨噬细胞后，对HIV-1感染的限制作用可以得到缓解[3， 4]。

1 HIV-1 的生活周期

HIV-1的基因组主要编码3个结构蛋白(gag,pol,env)和6个辅助蛋白，tat和rev两个调节蛋白,vif(viral infectivity factor),vpr(viral protein R),vpu(viral protein U),nef四个功能蛋白。这些辅助蛋白在HIV-1的生活周期中起着关键的作用。HIV-1的生活周期主要包括：1)病毒进入靶细胞。2)逆转录，合成病毒双链 DNA 分子。3)进核，病毒双链DNA 分子与相连的病毒蛋白形成前病毒复合体，并在核定位蛋白的导向下进入细胞核。4)整合，病毒 DNA 在整合酶作用下整合到宿主细胞染色体上，形成前病毒。5)转录，前病毒利用宿主细胞的 RNA 聚合酶合成病毒的 RNA。6)翻译。7)出芽释放。

2 HIV-1复制高度依赖宿主相关因子的表达

病毒作为细胞的寄主，可以迅速适应宿主内的环境。在病毒生活周期的每个环节，都需要宿主编码的蛋白的参与；病毒利用宿主编码的蛋白和胞内的一些机制完成其自身的复制。单核细胞内一些关键因子的缺失毫无疑问的会使HIV-1的复制受到限制。Brasse等人用siRNA转染细胞，从HeLa或HEK293细胞中获得几百个HIV-1复制依赖性因子(HIV-1-dependent factors,HDFs)[5]。HIV-1的生活周期高度依赖于宿主基因的表达。

3 宿主细胞表达HIV-1复制的限制性因子

了解宿主细胞抵制逆转录病毒感染的机制有助于我们理解病毒的致病机制。最近研究显示宿主细胞内表达的一些蛋白也称为限制性因子可以抑制HIV-1的复制，比如SAMHD1，APOBEC3G/F，Tetherin，TRIM5α等。细胞内还存在大量的microRNA可以调控HIV-1的复制。

3.1 SAMHD1

SAMHD1是最近发现的一个新的抗病毒限制性因子，它是小鼠Mg11基因的同源基因，这个蛋白由636个氨基酸编码而成，含有SAM(sterile α motif)和HD两个结构域，SAM结构域是蛋白与蛋白或蛋白与RNA相互作用的区域，HD结构域富含组氨酸(His)和天冬氨酸(Asp),具有磷酸水解酶的活性，这两个结构域在进化上都是高度保守的，在核苷酸代谢中起着重要的作用。SAMHD1蛋白在人的骨髓细胞系中高表达，在病毒的生活周期早期阶段发挥功能，但是对于其具体的作用方式还有待进一步的研究。干扰素(IFN)刺激巨噬细胞和树突状状细胞可以诱导SAMHD1蛋白的表达[6]。

尽管宿主细胞内有多种机制阻止病毒的感染，但是HIV-1依然可以有效的复制。HIV-1不仅可以躲避细胞内模式识别受体(PRRs)，成功地逃逸人体免疫系统监管，它还可以通过自身编码的一些辅助蛋白抵抗宿主内的限制性因子。但是SAMHD1是一个例外。虽然跟其它限制性因子一样，SAMHD1在所有组织中都存在，但是只特异性的抑制HIV-1在髓样来源的细胞系中的复制[7]。SAMHD1是一种可以降解dNTPs的脱氧鸟苷三磷酸酶，SAMHD1介导的HIV-1限制被推测与其降解dNTPs从而导致细胞内dNTPs浓度降低有关[8]。HIV-1及其相关的SIV都不能编码拮抗SAMHD1的辅助蛋白，但是HIV-2及其相关的SIV编码的Vpx可以通过蛋白酶体途径降解这一蛋白，从而消除病毒在骨髓细胞中复制的抑制。通过外源性转导方法使Vpx蛋白在树突状细胞(DCs)或者单核细胞中稳定表达或瞬时表达，那么HIV-1在这两类细胞中就可以有效地复制。可见宿主内的非分裂细胞可能是HIV-1逃逸机体免疫的一个策略。那么HIV-1是否有其它的优势来拮抗SAMHD1，有效地感染树突状细胞和单核细胞，则有待进一步的研究。

最近一些研究显示限制性因子与宿主的天然免疫系统有着复杂的关系。TRIM5α既可以发挥限制性因子的作用，也可以作为模式识别受体(PRRs)。做为限制性因子，TRIM5α与病毒衣壳蛋白(CA)相互作用可以激活下游的NF-kB和激活蛋白-1(AP-1)；作为PRR，可以调控促炎症因子的分泌。相似的，SAMHD1也可以作为免疫调节器参与炎症反应，诱导I-型干扰素的生产[9]。最近研究发现，Vpx本身是不能诱导干扰素的分泌的，但Vpx处理树突状细胞(DCs)，用HIV-1病毒颗粒感染细胞，细胞内的干扰素分泌会增加[10]，SAMHD1可能是干扰素信号通路中的负调控因子，那么Vpx降解SAMHD1可能会导致干扰素分泌增加，这可能会扩大宿主的免疫反应。SAMHD1在这个信号通路中的作用还需要进一步研究的。

3.2 Tetherin

Tetherin(骨髓质细胞抗原2)又称为CD317，HM1.24，BST-2。在1995年，从类风湿性关节炎骨髓液细胞系中克隆而得。

Tetherin蛋白是Ⅱ型跨膜蛋白，N-端位于胞质区，胞外区的C-端含有糖基化磷脂酰肌醇膜锚定区域。Tetherin蛋白会富集在病毒颗粒出芽的位置，并嵌入到病毒包膜内，把成熟出芽的病毒颗粒完全固定在细胞膜上，使其无法释放到胞外[11]。但Tetherin蛋白把病毒颗粒固定在细胞膜上的机制有待进一步研究。HIV-1编码的Vpu蛋白可以拮抗BST-2蛋白的抑制作用。β-TrCP是SCF(Skp1/Cullin/F-box蛋白)-E3泛素连接酶的识别亚单位，能够识别并特异性降解磷酸化底物。Vpu蛋白的胞质区域的DpSGxxpS基序的S52和S56发生磷酸化，标记BST-2，从而通过蛋白酶体降解途径降解BST-2[12]；另外，Vpu蛋白可以调控Tetherin蛋白在细胞内的分布[13， 14]，使其无法在病毒出芽的位置富集。

3.3 APOBEC3G/F

APOBEC3是最近刚发现不久的APOBEC家族成员，由七个(A-H)胞嘧啶脱氨酶相关成员组成，哺乳动物编码的APOBEC3都具有抗病毒活性。其中APOBEC3G/F蛋白可以显著的抑制人细胞中HIV-1的复制。APOBEC3G/F主要分布于人外周单核细胞(PBMC)，脾细胞，卵巢和睾丸细胞等。

APOBEC3G/F蛋白要发挥抗病毒活性，首先需要与HIV-1的Gag蛋白或RNA相互作用[15]，被包装到新合成的病毒颗粒中，在该病毒颗粒感染新的靶细胞后，APOBEC3G/F蛋白被释放出来，作用于新合成的负链DNA[16]，胞嘧啶(C)脱氨基转变为尿嘧啶(U)(C→U)。这一高突变的基因组是十分不稳定的，无法整合到宿主的基因组中，即便是整合到了宿主的基因组中，它也无法翻译合成功能性的病毒蛋白，从而也就无法产生感染性的病毒颗粒。

HIV-1病毒编码的vif蛋白可以中和APOBEC3G/F的抗病毒活性[17]。Vif蛋白可以募集细胞内的cul5-Rbx1-EloB/C蛋白复合物，激活蛋白泛素化途径，从而降解APOBEC3G/F蛋白， Vif蛋白可以与APOBEC3G/F mRNA结合[18]，抑制A3G mRNA的翻译，与APOBEC3G/F蛋白竞争性地结合HIV-1 Gag蛋白和基因组，从而阻止A3G蛋白被包装到新产生的病毒颗粒中。

3.4 TRIM5α

TRIM5α也是备受关注的抗HIV-1病毒的限制性因子之一。HIV-1感染的宿主只限于人类和黑猩猩。TRIM5α属于三重基序蛋白(tripartite motif protein，TRIM)大家族的成员。TRIM家族蛋白都有三个共同的基序结构：1个富含半胱氨酸(Cys)RING基序；1～2个B-Box结构域；一个与蛋白复合体形成相关的螺旋状-螺旋区域。因此TRIM家族蛋白也被称作RBCC(RING-B-Box-Coiled-Coil)蛋白。除了上述3个基序结构外，在C端还有一个可变的结构域，不同的TRIM家族成员，氨基酸组成也存在着较大的差异。B-box和螺旋状-螺旋域可以促进TRIM5分子的多聚化，是TRIM5分子发挥抗病毒活性所必须的；TRIM5α在C端具有一个其特有的B30.2(SPRY)结构域[19]，决定了其发挥限制作用的特异性。

HIV-1能够有效地进入到旧大陆猴的细胞中，但是病毒在发生逆转录前会受到限制。TRIM5α可以与HIV-1病毒颗粒的衣壳蛋白相互作用，阻止病毒脱衣壳[20]。TRIM5α分子是一个广谱的逆转录病毒限制因子，它的限制效应表现出典型的物种特异性。但是对于TRIM5α限制逆转录病毒感染的具体过程还存在许多未知。

3.5 microRNA

传统认为，限制性因子都是蛋白质，但是最近发现的一些microRNA在抑制病毒复制中也起着关键的作用。一些microRNA通过调控HIV-1复制周期中的关键蛋白从而调控HIV-1的复制。Cyclin T1是tat蛋白驱动的HIV-1转录过程中的一个关键因子，它在未分化的单核细胞中的表达受到miRNA-198的抑制；在未激活的CD4+的T淋巴细胞中，CyclinT1的表达同样会受到miR-27b，miR-29b，miR-150和miR-22的直接或间接调控[21]。除此之外，还有许多其它的microRNAs可以调控单核细胞分化依赖性的HIV-1的易感性，例如miRNA-28，miRNA-150，miRNA-223，miRNA-382，用这些microRNA的抑制剂或类似物转染细胞，都可以调控HIV-1感染单核细胞和刺激分化的树突状细胞的敏感度。一些microRNA也可以直接作用于病毒的基因序列，调控HIV-1的复制[22]。在静息的CD4+的T淋巴细胞中，miR-28，miR-125b，miR-150，miR-223，miR-382可以直接作用于HIV-1nef3′-UTR，使HIV-1进入到潜伏感染，抑制HIV-1的复制[23]。

除了本文中介绍的一些限制性因子以及microRNA在HIV-1复制中的关键作用外，还有许多其他因子在病毒复制周期的不同环节发挥作用。CD4，DC-SIGN等调控病毒进入细胞，CypA等调控细胞的脱衣壳和逆转录，importins，Nucleoporins等在病毒入核阶段发挥功能。

4 展望

HIV-1复制高度依赖的宿主蛋白的研究还处于初级阶段，研发抗HIV-1感染的药物或HIV-1的基因治疗还有很长的路要走。体外已经发现很多宿主因子能够调节HIV-1的复制，尽管这些因子与HIV-1感染之间的关系有待进一步的体内验证。但是这些宿主因子的研究或许能为抗HIV-1策略发展提供新的靶点。

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