HIV病毒结构、复制、致病机理及研究进展

HIV病毒结构、复制、致病机理及研究进展2013级生物技术基地一班刘雨桐摘要：本文简要介绍了HIV病毒的形态结构基因组及其编码的蛋白，重点论述了HIV的复制和基因表达调控，并扼要阐述了HIV的致病机理以及艾滋病的研究治疗进展。关键词：HIV；形态结构；复制；基因表达调控；致病机理；研究进展引言：人类免疫缺陷病毒（HIV），俗称艾滋病（AIDS）病毒，诱发人类获得性免疫缺陷综合症。HIV病毒属反转录病毒的一种。已发现人类免疫缺陷病毒主要有两种，即HIV-Ⅰ和HIV-Ⅱ。有关HIV的研究主要是针对HIV-Ⅰ进行的。一．HIV病毒结构①组织结构通过电子显微镜观察，HIV-1和HIV-2都具有慢病毒(1entivirus)种属的特征。病毒粒子直径100～200nm，主要由Env蛋白、Gag蛋白和Pol蛋白构成。HIV外层为脂质包膜，包膜蛋白由env基因编码的外膜蛋白gpl20(externalprotein，SU)和跨膜蛋白gp41(transmembraneprotein，TM)组成，gpl20通过非共价键与gp41相连，gp41是穿过Env脂质双层的跨膜蛋白。Gag蛋白包括3个结构性蛋白：基质蛋白(MAp17)、衣壳蛋白(CAp24)和核壳蛋白(NCp15)。酰胺化(myristoylated)的基质蛋白MA附着于病毒包膜的内部，对病毒的完整性至关重要，也是Env蛋白包装到成熟病毒颗粒中所必需的；中层为由衣壳蛋白CA组成的圆锥形核心；核心内部为病毒基因组RNA分子、逆转录酶(p64)、整合酶(p32)、蛋白酶(pl0)及与RNA结合的核壳(nucleocapsid)蛋白p9和p6。HIV病毒核心内的RNA是两个拷贝的单股正链RNA(ssRNA)，两个单体在5’端借氢键结合成二聚体，每个RNA基因组的长度约为9．8kb。在5'端有一帽结构(m7G5PPP5'GmpNp)，3'端有polyA尾。核酸：两条相同单正链RNA与核衣壳蛋白(P7)结合，形成双体结构核衣壳衣壳：双层内层为衣壳蛋白（P24)外层为内膜蛋白（P17)形态结构包膜:脂质双层刺突:gp120,gp41②基因组结构HIV-1的核酸(RNA)约含9．8kb的碱基，其主要基因结构与其他逆转录病毒相同，两端为长末端重复序列(10ngterminalrepeat．，LTR)，编码主要结构蛋白的基因从5'端到3'端依次为gag、pol和env。此外还包括6个辅助性基因，其中两个是调控基因tat和rev，4个是表达辅助蛋白的基因vpr、vpu、nef和vif。HIV-2无vpu基因，但含有另一个基因Upx。HIV基因组两端的长末端重复序列不编码病毒蛋白，但对病毒基因表达的起始和调节至关重要，其上有许多细胞转录因子结合位点，可分为调节单位、核心转录单位和反式作用元件单位(TAR)3个不同的调控功能区。基因产物功能Gag核心蛋白Pol多种酶功能Env包膜蛋白Tat（Tat-3、Ta）RNA沉默抑制因子，转录激活子Rev(Art、Trs)调控RNA剪切和运输，与RRE结合曾加env的翻译Vif侵染因子，病毒在巨噬细胞扩散中所必需Vpr(R)增加病毒复制Vpu辅助病毒组装和释放，以及gp160/CD4复合体的解聚Nef形成同源二聚体，引起多效应性的影响，如负调控CD4二．HIV病毒复制过程①复制方式HIV主要侵染人体的T淋巴细胞及巨噬细胞,并通过病毒膜蛋白gp120与细胞表面的CD4受体蛋白结合。首先,病毒体的包膜糖蛋白刺突gp120与细胞表面受体CD4吸附。然后录酶以病毒RNA为模板,借宿主的tRNA作为引物,产生互补负股DNA,构成RNANA杂交体。杂交体中的亲代RNA由RNA酶H水解去除.再由负股DNA产生正股DNA,从而形成双股DNA。双股DNA环化后,由胞浆移行到胞核内。在病毒整合酶的作用下,病毒基因组整合入细胞染色体中,整合的前病毒转录出单一的RNA前体,有些RNA前体拼接而形成病毒的mRNA,翻译形成病毒的结构蛋白和非结构蛋白,另一些RNA前体经加帽加尾作为病毒的子代基因组RNA,与结构蛋白装配成核衣壳。最后病毒核衣壳经过细胞膜以出芽方式形成完整病毒体释放到细胞外。吸附、穿入细胞:刺突(gp120)＋细胞受体(CD4)和共受体(CXCR4、CCR5)，膜融合(gp41);脱壳:胞浆内,释放RNA;逆转录:胞浆内,逆转录酶,RNA酶H;RNA(＋)→cDNA(-)→RNA:DNA杂交体→dsDNA→细胞核整合至宿主细胞染色体:细胞核内,整合酶,形成前病毒；前病毒活化:LTR(启动子,增强子),RNA多聚酶Ⅱ;（脱壳）（潜伏感染）（装配施放）②基因表达调控、转录调控细胞因子和病毒因子共同完成对HIV基因表达的调控，包括转录和转录后两个水平。HIV基因分成早期基因和晚期基因，早期基因有tat、rev和nef，其表达不依赖于rev，晚期基因有gag、pol、env、vpr、vpu和vif，因为涉及细胞质定位和表达，其表达都依赖于rev基因。HIV转录是由5'LTR的单一启动子介导的，从5'LTR产生的9kb初级转录本能编码9种基因。LTR由U3、R、U5三个亚区组成，U3区约45Obp，位于每个LTR的5'端，含有大多数顺式作用元件，是细胞转录因子的结合位点。每个LTR的中心区含有1OObp的R(重复序列)，转录起始于R区的第一个碱基，到R的最后一个碱基后，立即进行多腺苷酸化(polyadenylation)。U5区含有180bp，含有Tat结合位点和HIV包装序列。U5的3'端是lystRNA的结合位点，lystRNA是逆转录引物。HIVDNA整合到宿主染色体后，通常以两种状态存在：潜伏感染或者转录激活。HIV潜伏感染是抗病毒治疗不能彻底根除病毒的一个重要原因。尽管在感染早期会产生有效的免疫反应，但这些沉默的前病毒作为一个储存器，在机体防御系统变弱时，潜伏的前病毒被激活，产生大量的感染性病毒粒子。开发针对潜伏期病毒的药物是根除病毒的一条理想途径，这依赖于对潜伏期病毒的深入研究。染色质的环境可能决定了前病毒的转录活性。例如，前病毒整合到受阻遏异源染色体上会导致病毒的潜伏，而缺少Tat也会导致潜伏感染。通常在感染细胞染色体中整合的多个拷贝前病毒，至少有一个会有转录活性。HIV含有两个长末端重复序列LTR，只有上游LTR具有转录调控作用，而下游LTR能够加PolyA尾到切割的初级转录子上。5'LTR含有上游和下游启动子，包括起始子、TATA框和三个Spl位点，这些区域协助RNA聚合酶II(RNAPⅡ)定位在转录起始位点，组装前起始复合物，在启动子上游是转录增强子。HIV的LTR含有多种与细胞因子结合的DNA结合位点(图1．7)。其中最为关键的是位于HIV-1LTR的U3区的、与NF-kB家族转录因子结合的DNA结合位点。。NF-KB蛋白可以使病毒对激活状态的感染细胞及时做出反应，刺激T细胞受体(T-cellreceptor，TCR)引起NF-kB灭活，使其从细胞质转移至核仁，继而表达一系列T细胞特异性激活因子。HIVLTR也含有与转录因子SP-1、LEF和Ets-1，以及NFAT-1和AP-1的结合位点(Garciaeta1．，1989)。LEF、和NFAT-1是所有的T细胞特异性因子，而SP-1结合位点对HIV启动子的功能极其重要。当HIVLTR在细胞内转录因子的作用下激活后，产生一些初级的、短的转录产物，其中一些转录子可以产生Tat蛋白，Tat蛋白与TAR元件的RNA茎环作用后极其稳定，使得聚合酶沿着病毒基因组有效延长，大大提高了病毒RNA的转录能力，病毒得以完成从RNA到DNA的过程。三．HIV病毒致病机理HIV选择性的侵犯带有CD4分子的，主要有T4淋巴细胞、单核巨噬细胞、树突状细胞等。细胞表面CD4分子是HIV受体，通过HIV囊膜蛋白gp120与细胞膜上CD4结合后，gp120构像改变使gp41暴露，同时gp120-CD4与靶细胞表面的趋化因子CXCR4或CXCR5结合形成CD4-gp120-CXCR4/CXCR5三分子复合物。gp41在其中起着桥的作用，利用自身的疏水作用介导病毒囊膜与细胞膜融合。最终造成细胞被破坏。HIV依靠血液、血液制品以及人体分泌液，如乳汁和精液等进行传播，它主要感染T4-淋巴细胞，也可以感染其他类型如B-淋巴细胞和单形核细胞等。HIV感染后可引起明显病变，形成多核巨细胞，并导致细胞死亡。HIV病毒可以通过所感染细胞扩散到全身，已在淋巴细胞、脑、胸腺、脾等组织发现了该病毒。（图展示了经典的艾滋病毒相关肾病的病理特征）四．HIV病毒引起艾滋病的研究治疗进展近日NIH下属的美国国家过敏症和传染病研究所科学家揭示了HIV病毒如何触发信号，让受感染的免疫细胞死亡。该发现的重要意义在于未来可以保护HIV阳性患者的免疫系统免受损伤。HIV病毒在CD4+T细胞内进行复制,该过程非常复制包括了将病毒基因插入到细胞基因组内。科学家发现在DNA整合过程中,一种称之为DNA依赖的蛋白酶（DNA-dependentproteinkinase,DNA-PK）开始活化,DNA-PK通常负责DNA双链的断口修复过程。当HIV病毒将其基因整合到细胞DNA内时,病毒DNA与细胞DNA结合处的单链DNA是断开的。然而,科学家发现HIV整合造成的断口会激活DNA-PK,而该蛋白却扮演了破坏性的角色:启动死亡信号让宿主CD4+T细胞死亡。这种濒临死亡的T细胞不可能再去攻击入侵物。科学家表示该发现对治疗HIV阳性患者的早期阻断病毒复制过程有重要意义。改变DNA-PK活性不仅能够防止病毒复制也能提高CD4+T细胞的存活率,并保持其免疫功能参考文献：①RecentProgressinHIV-associatedNephropathy，ChristinaM.Wyatt，AnnualReviewofmedicinevol63（2012）:147-159②Establishmentofahigh-throughputscreeningsystemforuniversalanti-HIVtargets，YINQi，ChineseScienceBulletin，April2010Vol.55No.10:937–942①HIV-1gp120V3区的结构特征及其生物学功能，田海军，自然科学进展，2003年1月，第13卷第1期②HIVgp41七肽重复区五螺旋蛋白的高效表达及对病毒融合的抑制，王久强，生物工程学报，2009,March25;25(3):435-440③HIVTat蛋白与单核细胞表达辅助受体CCR5和感染HIV病毒相互关系的研究，杨益大，浙江大学学报(医学版)，2004第33卷第6期④HIV病毒的复制机理，DawnK，ClinicalObstetrics，1996,39（2），278-281⑤HIV病毒对温度敏感性的实验研究，袁霖，中国自然医学杂志2008年4月第10卷第2期⑥HIV病毒组装信息，国外医学药学分册，2003年10月第30卷第5期⑦Nature:科学家发现HIV病毒攻击免疫细胞机制，中国生物技术信息网⑧共受体信号传导与HIV，姜山，细胞与分子免疫学杂志，2003,19（6）