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 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hiv病毒，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-和 HIV-。有关HIV的研究主要是针对 HIV-进行的。 一．HIV 病毒结构 组织结构 通过电子显微镜观察，HIV-1 HIV-2都具有慢病毒(1entivirus)种属的特征。病毒粒 子直径1 00～200nm，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(external protein，SU)和跨膜蛋白 gp41(transmembrane protein，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(MA p17)、衣壳蛋白(CA p24)和核壳蛋白(NC p15)。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(p6 4)、整合酶(p3 2)、蛋白酶(pl 0)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 因组的长度约为9．8kb。在5´端有一帽结构(m7G5 PPP5´GmpNp)，3´端有poly 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 gp120,gp41 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(10ng terminal repeat．，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， 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 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 复制方式 HIV 主要侵染人体的 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 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: 释放RNA;逆转录: 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; （脱壳） （潜伏感染） （装配施放） 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 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lys tRNA 的结合位点，lys tRNA是逆转录引物。 HIV DNA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 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(RNAP )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 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。HIV LTR 也含有与转录因子SP-1、LEF Ets-1，以及NFAT-1和AP-1 的结合位点(Garcia eta1．，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HIV LTR 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-dependent protein kinase, 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： RecentProgress HIV-associatedNephropathy，Christina M.Wyatthiv病毒，Annual Review medicinevol 63（2012）:147-159 high-throughputscreening system universalanti-HIV targets，YIN Qi， Chinese Science Bulletin，April 2010 Vol. 55 No.10: 937–942 HIV-1gp120V3区的结构特征及其生物学功能，田海军，自然科学进展，2003 HIVgp41 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, March 25; 25(3): 435-440 IVTat 蛋白与单核细胞表达辅助受体CCR5 和感染H IV 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 HIV病毒的复制机理，DawnK，Clinical Obstetrics，1996,39（2），278-281 HIV病毒组装信息，国外医学药学分册，2003年10 月第30 Nature: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 共受体信号传导与HIV，姜山，细胞与分子免疫学杂志，2003,19（6）书是我们时代的生命——别林斯基 书籍是巨大的力量——列宁 书是人类进步的阶梯———高尔基 书籍是人类知识的总统——莎士比亚 书籍是人类思想的宝库——乌申斯基 书籍——举世之宝——梭罗 好的书籍是最贵重的珍宝——别林斯基 书是唯一不死的东西——丘特 书籍使人们成为宇宙的主人——巴甫连柯 书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔 人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金 人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫 书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 法耶夫书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者 书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果
