宿主細(xì)胞對(duì)HIV-1復(fù)制的限制性

賈彥輝， 徐慶剛

(江蘇大學(xué)生命科學(xué)研究院，鎮(zhèn)江 212013)

在20世紀(jì)80年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種嚴(yán)重威脅人類健康的傳染病——獲得性免疫缺陷綜合征(acquired immunodeficiency syndrome AIDS)，一般稱為艾滋??；根據(jù)血清學(xué)和基因序列的差異，HIV分為兩個(gè)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淋巴細(xì)胞，導(dǎo)致人的免疫機(jī)能下調(diào)。單核細(xì)胞在宿主免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。樹突狀細(xì)胞(DCs)是免疫系統(tǒng)中最重要的抗原呈遞細(xì)胞(antigen presenting cell,APCs)，其最大的特點(diǎn)是能夠顯著刺激初始性T細(xì)胞進(jìn)行增殖因而被認(rèn)為是機(jī)體免疫應(yīng)答的始動(dòng)者。當(dāng)有外界病原體入侵時(shí)，單核細(xì)胞可以被刺激分化為樹突狀細(xì)胞(DCs)和巨噬細(xì)胞，發(fā)揮免疫作用。單核細(xì)胞是HIV-1感染的潛伏庫(kù)，提示單核細(xì)胞在病毒致病過程中的作用[1， 2]。雖然單核細(xì)胞表達(dá)HIV-1的受體和輔助受體，但是它們并不支持HIV-1的復(fù)制性感染，當(dāng)它們分化為樹突狀細(xì)胞(DCs)或者巨噬細(xì)胞后，對(duì)HIV-1感染的限制作用可以得到緩解[3， 4]。

1 HIV-1 的生活周期

HIV-1的基因組主要編碼3個(gè)結(jié)構(gòu)蛋白(gag,pol,env)和6個(gè)輔助蛋白，tat和rev兩個(gè)調(diào)節(jié)蛋白,vif(viral infectivity factor),vpr(viral protein R),vpu(viral protein U),nef四個(gè)功能蛋白。這些輔助蛋白在HIV-1的生活周期中起著關(guān)鍵的作用。HIV-1的生活周期主要包括：1)病毒進(jìn)入靶細(xì)胞。2)逆轉(zhuǎn)錄，合成病毒雙鏈 DNA 分子。3)進(jìn)核，病毒雙鏈DNA 分子與相連的病毒蛋白形成前病毒復(fù)合體，并在核定位蛋白的導(dǎo)向下進(jìn)入細(xì)胞核。4)整合，病毒 DNA 在整合酶作用下整合到宿主細(xì)胞染色體上，形成前病毒。5)轉(zhuǎn)錄，前病毒利用宿主細(xì)胞的 RNA 聚合酶合成病毒的 RNA。6)翻譯。7)出芽釋放。

2 HIV-1復(fù)制高度依賴宿主相關(guān)因子的表達(dá)

病毒作為細(xì)胞的寄主，可以迅速適應(yīng)宿主內(nèi)的環(huán)境。在病毒生活周期的每個(gè)環(huán)節(jié)，都需要宿主編碼的蛋白的參與；病毒利用宿主編碼的蛋白和胞內(nèi)的一些機(jī)制完成其自身的復(fù)制。單核細(xì)胞內(nèi)一些關(guān)鍵因子的缺失毫無疑問的會(huì)使HIV-1的復(fù)制受到限制。Brasse等人用siRNA轉(zhuǎn)染細(xì)胞，從HeLa或HEK293細(xì)胞中獲得幾百個(gè)HIV-1復(fù)制依賴性因子(HIV-1-dependent factors,HDFs)[5]。HIV-1的生活周期高度依賴于宿主基因的表達(dá)。

3 宿主細(xì)胞表達(dá)HIV-1復(fù)制的限制性因子

了解宿主細(xì)胞抵制逆轉(zhuǎn)錄病毒感染的機(jī)制有助于我們理解病毒的致病機(jī)制。最近研究顯示宿主細(xì)胞內(nèi)表達(dá)的一些蛋白也稱為限制性因子可以抑制HIV-1的復(fù)制，比如SAMHD1，APOBEC3G/F，Tetherin，TRIM5α等。細(xì)胞內(nèi)還存在大量的microRNA可以調(diào)控HIV-1的復(fù)制。

3.1 SAMHD1

SAMHD1是最近發(fā)現(xiàn)的一個(gè)新的抗病毒限制性因子，它是小鼠Mg11基因的同源基因，這個(gè)蛋白由636個(gè)氨基酸編碼而成，含有SAM(sterile α motif)和HD兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，SAM結(jié)構(gòu)域是蛋白與蛋白或蛋白與RNA相互作用的區(qū)域，HD結(jié)構(gòu)域富含組氨酸(His)和天冬氨酸(Asp),具有磷酸水解酶的活性，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域在進(jìn)化上都是高度保守的，在核苷酸代謝中起著重要的作用。SAMHD1蛋白在人的骨髓細(xì)胞系中高表達(dá)，在病毒的生活周期早期階段發(fā)揮功能，但是對(duì)于其具體的作用方式還有待進(jìn)一步的研究。干擾素(IFN)刺激巨噬細(xì)胞和樹突狀狀細(xì)胞可以誘導(dǎo)SAMHD1蛋白的表達(dá)[6]。

盡管宿主細(xì)胞內(nèi)有多種機(jī)制阻止病毒的感染，但是HIV-1依然可以有效的復(fù)制。HIV-1不僅可以躲避細(xì)胞內(nèi)模式識(shí)別受體(PRRs)，成功地逃逸人體免疫系統(tǒng)監(jiān)管，它還可以通過自身編碼的一些輔助蛋白抵抗宿主內(nèi)的限制性因子。但是SAMHD1是一個(gè)例外。雖然跟其它限制性因子一樣，SAMHD1在所有組織中都存在，但是只特異性的抑制HIV-1在髓樣來源的細(xì)胞系中的復(fù)制[7]。SAMHD1是一種可以降解dNTPs的脫氧鳥苷三磷酸酶，SAMHD1介導(dǎo)的HIV-1限制被推測(cè)與其降解dNTPs從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)dNTPs濃度降低有關(guān)[8]。HIV-1及其相關(guān)的SIV都不能編碼拮抗SAMHD1的輔助蛋白，但是HIV-2及其相關(guān)的SIV編碼的Vpx可以通過蛋白酶體途徑降解這一蛋白，從而消除病毒在骨髓細(xì)胞中復(fù)制的抑制。通過外源性轉(zhuǎn)導(dǎo)方法使Vpx蛋白在樹突狀細(xì)胞(DCs)或者單核細(xì)胞中穩(wěn)定表達(dá)或瞬時(shí)表達(dá)，那么HIV-1在這兩類細(xì)胞中就可以有效地復(fù)制?？梢娝拗鲀?nèi)的非分裂細(xì)胞可能是HIV-1逃逸機(jī)體免疫的一個(gè)策略。那么HIV-1是否有其它的優(yōu)勢(shì)來拮抗SAMHD1，有效地感染樹突狀細(xì)胞和單核細(xì)胞，則有待進(jìn)一步的研究。

最近一些研究顯示限制性因子與宿主的天然免疫系統(tǒng)有著復(fù)雜的關(guān)系。TRIM5α既可以發(fā)揮限制性因子的作用，也可以作為模式識(shí)別受體(PRRs)。做為限制性因子，TRIM5α與病毒衣殼蛋白(CA)相互作用可以激活下游的NF-kB和激活蛋白-1(AP-1)；作為PRR，可以調(diào)控促炎癥因子的分泌。相似的，SAMHD1也可以作為免疫調(diào)節(jié)器參與炎癥反應(yīng)，誘導(dǎo)I-型干擾素的生產(chǎn)[9]。最近研究發(fā)現(xiàn)，Vpx本身是不能誘導(dǎo)干擾素的分泌的，但Vpx處理樹突狀細(xì)胞(DCs)，用HIV-1病毒顆粒感染細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)的干擾素分泌會(huì)增加[10]，SAMHD1可能是干擾素信號(hào)通路中的負(fù)調(diào)控因子，那么Vpx降解SAMHD1可能會(huì)導(dǎo)致干擾素分泌增加，這可能會(huì)擴(kuò)大宿主的免疫反應(yīng)。SAMHD1在這個(gè)信號(hào)通路中的作用還需要進(jìn)一步研究的。

3.2 Tetherin

Tetherin(骨髓質(zhì)細(xì)胞抗原2)又稱為CD317，HM1.24，BST-2。在1995年，從類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎骨髓液細(xì)胞系中克隆而得。

Tetherin蛋白是Ⅱ型跨膜蛋白，N-端位于胞質(zhì)區(qū)，胞外區(qū)的C-端含有糖基化磷脂酰肌醇膜錨定區(qū)域。Tetherin蛋白會(huì)富集在病毒顆粒出芽的位置，并嵌入到病毒包膜內(nèi)，把成熟出芽的病毒顆粒完全固定在細(xì)胞膜上，使其無法釋放到胞外[11]。但Tetherin蛋白把病毒顆粒固定在細(xì)胞膜上的機(jī)制有待進(jìn)一步研究。HIV-1編碼的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泛素連接酶的識(shí)別亞單位，能夠識(shí)別并特異性降解磷酸化底物。Vpu蛋白的胞質(zhì)區(qū)域的DpSGxxpS基序的S52和S56發(fā)生磷酸化，標(biāo)記BST-2，從而通過蛋白酶體降解途徑降解BST-2[12]；另外，Vpu蛋白可以調(diào)控Tetherin蛋白在細(xì)胞內(nèi)的分布[13， 14]，使其無法在病毒出芽的位置富集。

3.3 APOBEC3G/F

APOBEC3是最近剛發(fā)現(xiàn)不久的APOBEC家族成員，由七個(gè)(A-H)胞嘧啶脫氨酶相關(guān)成員組成，哺乳動(dòng)物編碼的APOBEC3都具有抗病毒活性。其中APOBEC3G/F蛋白可以顯著的抑制人細(xì)胞中HIV-1的復(fù)制。APOBEC3G/F主要分布于人外周單核細(xì)胞(PBMC)，脾細(xì)胞，卵巢和睪丸細(xì)胞等。

APOBEC3G/F蛋白要發(fā)揮抗病毒活性，首先需要與HIV-1的Gag蛋白或RNA相互作用[15]，被包裝到新合成的病毒顆粒中，在該病毒顆粒感染新的靶細(xì)胞后，APOBEC3G/F蛋白被釋放出來，作用于新合成的負(fù)鏈DNA[16]，胞嘧啶(C)脫氨基轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏?U)(C→U)。這一高突變的基因組是十分不穩(wěn)定的，無法整合到宿主的基因組中，即便是整合到了宿主的基因組中，它也無法翻譯合成功能性的病毒蛋白，從而也就無法產(chǎn)生感染性的病毒顆粒。

HIV-1病毒編碼的vif蛋白可以中和APOBEC3G/F的抗病毒活性[17]。Vif蛋白可以募集細(xì)胞內(nèi)的cul5-Rbx1-EloB/C蛋白復(fù)合物，激活蛋白泛素化途徑，從而降解APOBEC3G/F蛋白， Vif蛋白可以與APOBEC3G/F mRNA結(jié)合[18]，抑制A3G mRNA的翻譯，與APOBEC3G/F蛋白競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合HIV-1 Gag蛋白和基因組，從而阻止A3G蛋白被包裝到新產(chǎn)生的病毒顆粒中。

3.4 TRIM5α

TRIM5α也是備受關(guān)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類和黑猩猩。TRIM5α屬于三重基序蛋白(tripartite motif protein，TRIM)大家族的成員。TRIM家族蛋白都有三個(gè)共同的基序結(jié)構(gòu)：1個(gè)富含半胱氨酸(Cys)RING基序；1～2個(gè)B-Box結(jié)構(gòu)域；一個(gè)與蛋白復(fù)合體形成相關(guān)的螺旋狀-螺旋區(qū)域。因此TRIM家族蛋白也被稱作RBCC(RING-B-Box-Coiled-Coil)蛋白。除了上述3個(gè)基序結(jié)構(gòu)外，在C端還有一個(gè)可變的結(jié)構(gòu)域，不同的TRIM家族成員，氨基酸組成也存在著較大的差異。B-box和螺旋狀-螺旋域可以促進(jìn)TRIM5分子的多聚化，是TRIM5分子發(fā)揮抗病毒活性所必須的；TRIM5α在C端具有一個(gè)其特有的B30.2(SPRY)結(jié)構(gòu)域[19]，決定了其發(fā)揮限制作用的特異性。

HIV-1能夠有效地進(jìn)入到舊大陸猴的細(xì)胞中，但是病毒在發(fā)生逆轉(zhuǎn)錄前會(huì)受到限制。TRIM5α可以與HIV-1病毒顆粒的衣殼蛋白相互作用，阻止病毒脫衣殼[20]。TRIM5α分子是一個(gè)廣譜的逆轉(zhuǎn)錄病毒限制因子，它的限制效應(yīng)表現(xiàn)出典型的物種特異性。但是對(duì)于TRIM5α限制逆轉(zhuǎn)錄病毒感染的具體過程還存在許多未知。

3.5 microRNA

傳統(tǒng)認(rèn)為，限制性因子都是蛋白質(zhì)，但是最近發(fā)現(xiàn)的一些microRNA在抑制病毒復(fù)制中也起著關(guān)鍵的作用。一些microRNA通過調(diào)控HIV-1復(fù)制周期中的關(guān)鍵蛋白從而調(diào)控HIV-1的復(fù)制。Cyclin T1是tat蛋白驅(qū)動(dòng)的HIV-1轉(zhuǎn)錄過程中的一個(gè)關(guān)鍵因子，它在未分化的單核細(xì)胞中的表達(dá)受到miRNA-198的抑制；在未激活的CD4+的T淋巴細(xì)胞中，CyclinT1的表達(dá)同樣會(huì)受到miR-27b，miR-29b，miR-150和miR-22的直接或間接調(diào)控[21]。除此之外，還有許多其它的microRNAs可以調(diào)控單核細(xì)胞分化依賴性的HIV-1的易感性，例如miRNA-28，miRNA-150，miRNA-223，miRNA-382，用這些microRNA的抑制劑或類似物轉(zhuǎn)染細(xì)胞，都可以調(diào)控HIV-1感染單核細(xì)胞和刺激分化的樹突狀細(xì)胞的敏感度。一些microRNA也可以直接作用于病毒的基因序列，調(diào)控HIV-1的復(fù)制[22]。在靜息的CD4+的T淋巴細(xì)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進(jìn)入到潛伏感染，抑制HIV-1的復(fù)制[23]。

除了本文中介紹的一些限制性因子以及microRNA在HIV-1復(fù)制中的關(guān)鍵作用外，還有許多其他因子在病毒復(fù)制周期的不同環(huán)節(jié)發(fā)揮作用。CD4，DC-SIGN等調(diào)控病毒進(jìn)入細(xì)胞，CypA等調(diào)控細(xì)胞的脫衣殼和逆轉(zhuǎn)錄，importins，Nucleoporins等在病毒入核階段發(fā)揮功能。

4 展望

HIV-1復(fù)制高度依賴的宿主蛋白的研究還處于初級(jí)階段，研發(fā)抗HIV-1感染的藥物或HIV-1的基因治療還有很長(zhǎng)的路要走。體外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多宿主因子能夠調(diào)節(jié)HIV-1的復(fù)制，盡管這些因子與HIV-1感染之間的關(guān)系有待進(jìn)一步的體內(nèi)驗(yàn)證。但是這些宿主因子的研究或許能為抗HIV-1策略發(fā)展提供新的靶點(diǎn)。

[1] Zhu T,Muthui D,Holte S,et al. Evidence for human immunodeficiency virus type 1 replication in vivo in CD14(+) monocytes and its potential role as a source of virus in patients on highly active antiretroviral therapy[J]. J Virol,2002,76(2):707-716.

[2] Coleman C M,Wu L. HIV interactions with monocytes and dendritic cells: viral latency and reservoirs[J]. Retrovirology,2009,6:51.

[3] Dong C,Kwas C,Wu L. Transcriptional restriction of human immunodeficiency virus type 1 gene expression in undifferentiated primary monocytes[J]. J Virol,2009,83(8):3518-3527.

[4]Bergamaschi A,Pancino G. Host hindrance to HIV-1 replication in monocytes and macrophages[J]. Retrovirology,2010,7:31.

[5]Brass A L,Dykxhoorn D M,Benita Y,et al. Identification of host proteins required for HIV infection through a functional genomic screen[J]. Science,2008,319(5865):921-926.

[6]Li N,Zhang W,Cao X. Identification of human homologue of mouse IFN-gamma induced protein from human dendritic cells[J]. Immunol Lett,2000,74(3):221-224.

[7]Laguette N,Sobhian B,Casartelli N,et al. SAMHD1 is the dendritic- and myeloid-cell-specific HIV-1 restriction factor counteracted by Vpx[J]. Nature,2011,474(7353):654-657.

[8]Lahouassa H,Daddacha W,Hofmann H,et al. SAMHD1 restricts the replication of human immunodeficiency virus type 1 by depleting the intracellular pool of deoxynucleoside triphosphates[J]. Nat Immunol,2012,13(3):223-228.

[9]Rice G I,Bond J,Asipu A,et al. Mutations involved in Aicardi-Goutieres syndrome implicate SAMHD1 as regulator of the innate immune response[J]. Nat Genet,2009,41(7):829-832.

[10]Manel N,Hogstad B,Wang Y,et al. A cryptic sensor for HIV-1 activates antiviral innate immunity in dendritic cells[J]. Nature,2010,467(7312):214-217.

[11]Neil S J,Eastman S W,Jouvenet N,et al. HIV-1 Vpu promotes release and prevents endocytosis of nascent retrovirus particles from the plasma membrane[J]. PLoS Pathog,2006,2(5):e39.

[12]Mangeat B,Gers-Huber G,Lehmann M,et al. HIV-1 Vpu neutralizes the antiviral factor Tetherin/BST-2 by binding it and directing its beta-TrCP2-dependent degradation[J]. PLoS Pathog,2009,5(9):e1000574.

[13]Dube M,Roy B B,Guiot-Guillain P,et al. Antagonism of tetherin restriction of HIV-1 release by Vpu involves binding and sequestration of the restriction factor in a perinuclear compartment[J]. PLoS Pathog,2010,6(4):e1000856.

[14]Habermann A,Krijnse-Locker J,Oberwinkler H,et al. CD317/tetherin is enriched in the HIV-1 envelope and downregulated from the plasma membrane upon virus infection[J]. J Virol,2010,84(9):4646-4658.

[15]Strebel K,Khan M A. APOBEC3G encapsidation into HIV-1 virions: which RNA is it[J]? Retrovirology,2008,5:55.

[16]Yamashita T,Nomaguchi M,Miyake A,et al. Status of APOBEC3G/F in cells and progeny virions modulated by Vif determines HIV-1 infectivity[J]. Microbes Infect,2010,12(2):166-171.

[17]Xu H,Chertova E,Chen J,et al. Stoichiometry of the antiviral protein APOBEC3G in HIV-1 virions[J]. Virology,2007,360(2):247-256.

[18]Mercenne G,Bernacchi S,Richer D,et al. HIV-1 Vif binds to APOBEC3G mRNA and inhibits its translation[J]. Nucleic Acids Res,2010,38(2):633-646.

[19]Yap M W,Nisole S,Stoye J P. A single amino acid change in the SPRY domain of human Trim5alpha leads to HIV-1 restriction[J]. Curr Biol,2005,15(1):73-78.

[20]Towers G J. The control of viral infection by tripartite motif proteins and cyclophilin A[J]. Retrovirology,2007,4:40.

[21]Chiang K,Sung T L,Rice A P. Regulation of cyclin T1 and HIV-1 replication by microRNAs in resting CD4+ T lymphocytes[J]. J Virol,2012,86(6):3244-3252.

[22]Wang X,Ye L,Hou W,et al. Cellular microRNA expression correlates with susceptibility of monocytes/macrophages to HIV-1 infection[J]. Blood,2009,113(3):671-674.

[23]Huang J,Wang F,Argyris E,et al. Cellular microRNAs contribute to HIV-1 latency in resting primary CD4+ T lymphocytes[J]. Nat Med,2007,13(10):1241-1247.