分子生物学 第 8 章 第 2 节：逆转录病毒

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8.2.1 人类免疫缺陷病毒 HIV

  • HIV 的分布：体液 血液、精液、阴道分泌物中含量最高

HIV 基因组及其蛋白质

  • HIV 基因组结构
    • 由两条单链正链 RNA 组成
    • 部分基因（如Tat和Rev）是不连续的，被插入的内含子分隔成两个外显子
  • HIV 编码的蛋白质
基因所编码的蛋白质
gag基因病毒核心蛋白质
pol基因复制所需酶 如逆转录酶 p66
RP基因蛋白酶 p10
env基因外膜蛋白
  • HIV 膜蛋白主要功能区
    1. 主要抗原决定簇
    2. T 细胞决定簇
    3. CD4 受体结合区

HIV 的复制

  • HIV 靶细胞：T 4 淋巴细胞、巨噬细胞
  • 通过病毒膜蛋白 gp120 与细胞表面的 CD4 受体蛋白结合，HIV 与受体结合后，病毒核心蛋白和两条 RNA 链进入细胞
  • CD4 所结合的正常配体是Ⅱ型 MHC 抗原

[!NOTE] 主要组织相容性复合体：MHC

  • MHCⅠ：位于一般细胞表面
  • MHCⅡ：位于抗原呈递细胞（如巨噬细胞）表面，起呈递抗原的作用
  • HIV 复制主要过程
    1. 原病毒整合到宿主染色体上，无症状
    2. 原病毒利用宿主细胞的转录和合成系统转录产生病毒 mRNA，其中一部分编码病毒蛋白，与基因组 RNA 组装成新的病毒颗粒，释放
    3. 宿主细胞瓦解死亡

HIV 复杂调控机制使 HIV 感染细胞后产生不同结果

  • 复制和表达量高：立刻杀死细胞
  • 复制和表达量低：仅造成细胞功能失常
  • 不复制、表达：前病毒与宿主长期共存
  • HIV 前病毒整合是随机的，并不要求特定 DNA 序列，可整合到染色体任意位置

HIV 基因表达调控

  • （与大多数逆转录病毒比）HIV 最大特点：含有许多调控基因
  1. 长末端重复序列 （long terminal repeat， LTR）：5'-LTR 包含调控单元、增强子区域、核心单位、TAR 区域（反式激活因子应答元件）四个主要功能元件，能调控 HIV 基因表达，劫持宿主细胞转录装置，严格控制病毒基因组的转录
  2. 参与 HIV 复制的调控蛋白
调控蛋白功能
Tat 蛋白转录激活、RNA 沉默抑制、促进 RNA 聚合酶Ⅱ 转录起始复合物的组装
Rev 蛋白反式激活因子，调控 RNA 剪切和运输，与 RRE（Rev 响应元件） 结合增加 env 的翻译
Nef 蛋白负调控因子和磷酸化蛋白，抑制前病毒基因表达
Vpr 蛋白协助前病毒导入，阻断细胞分裂，诱导凋亡
Vpu 蛋白促进病毒粒子组装、成熟、释放
Vif 蛋白病毒侵染、扩散必需

HIV 感染与致病机制

  1. 急性期（1-2 周）：血清中出现 HIV 抗原，外周血细胞、脑脊液、骨髓细胞中均能分离出 HIV
  2. 无症状潜伏期：无临床症状，外周血中 HIV 抗原含量极低
  3. 随感染时间延长，HIV 重新开始大量复制并造成免疫系统损伤

HIV 致免疫低下的机制

  1. HIV 表面 gp120 蛋白脱落，与正常细胞质膜上 CD4 受体结合，使细胞被免疫系统误认而遭杀伤
  2. T 细胞 CD4 受体被 gp120 封闭，影响其免疫辅助功能
  3. gp120 蛋白刺激机体产生抗 CD4 结合部位的特异性抗体阻断 T 细胞功能
  4. 带有病毒包膜蛋白的细胞可与其他细胞融合，形成多核巨细胞而丧失功能

AIDS 的治疗

  • AIDS 标准疗法：高效抗逆转录病毒疗法 （highly active antiretroviral therapy，HAART），又称：抗逆转录病毒鸡尾酒疗法
  • HAART Pros：
    • 可阻断病毒复制
    • 减少单一用药产生的抗药性
    • 部分恢复被损坏的免疫功能
  • HAART Cons：
    • 无法彻底清除潜伏感染的静息性记忆 $CD4^{+} T$ 细胞等细胞内的 HIV 病毒，无法治愈 AIDS

[!NOTE] $CD4^{+} T$ 细胞与辅助性 T 细胞的关系

  • $CD4{+} T$ 细胞是由胸腺产生的淋巴细胞亚群，在免疫应答过程中扮演重要角色。特别是在细胞介导免疫（cell-mediated immunity）中， $CD4{+} T$ 细胞主要识别由抗原提呈细胞（antigen-presenting cell, APC）提呈的外来抗原并产生响应。这个响应可以调节其他免疫细胞，如B细胞或者 $CD8^{+} T$ 细胞的活动，也可以启动新的免疫反应
  • $CD4^{+} T$ 细胞分化产生辅助T细胞1(Th1)、Th2、Th17和调节性T细胞(Treg)等多种亚群
  • 全球唯一实现 HIV 完全治愈的病人：柏林病人
  • 敲除 CCR5 受体基因对治疗 AIDS 有效

8.2.2 乙型肝炎病毒 HBV

DNA 病毒，但是逆转录途径

HBV 基因组及其蛋白质

  • HBV 基因组结构
    • 有部分单链区的环状双链 DNA
    • 长链 L 为负链，短链 S 为正链，短链长度不定
    • （最大特点） 功能单位非常密集，基因组高度压缩，编码区重复利用 基因经济型基因组
    • 核酸序列全为蛋白编码区（无内含子）
  • HBV 编码区及其产物
编码区产物
S 编码区乙肝表面抗原蛋白
P 编码区功能多肽
C 编码区病毒核心抗原（HBcAg）
X 编码区X 蛋白

X 蛋白：具有反式调控作用，能激活多个同源或异源启动子或增强子，与肝癌的发生有相关性

HBV 基因转录调控

  1. 顺式作用元件
  2. 增强子
  3. 反式作用因子

HBV 的复制

[!NOTE] HBV 的复制：先补全正链，再大量扩增，RNA 逆转录成第一链（负链 DNA）

  1. 病毒进入宿主细胞后，基因组 DNA 进入细胞核，经 DNA 聚合酶修复正链缺失部分，形成共价闭环双链 DNA 为转录模板大量扩增
  2. HBV 基因组在宿主 RNA 聚合酶作用下转录生成 mRNA
  3. 前基因组中的部分 RNA 被包装到核心颗粒中自 DR 1 处开始逆转录，合成负链 DNA
  4. 在 DNA 聚合酶作用下合成正链 （合成自 DR 1 处开始，再经跳跃传位至 DR 2，这一过程称为引物易位）

8.2.3 人禽流感病毒 AIV

AIV 的分型

  • 血凝素 （HA） ：对红细胞有凝集性，有 18 个 H 亚型
  • 神经酰胺酶 （NA） 糖蛋白：能将吸附在细胞表面的病毒粒子解脱下来，有 11 个 N 亚型

AIV 感染过程与机制

  • AIV 通过 HA 蛋白上的凝集素位点与细胞表面含唾液酸的糖蛋白受体结合，通过受体介导的细胞内吞作用进入细胞
  • 病毒蛋白：
蛋白功能
NA 蛋白病毒核衣壳主要成分
MA 蛋白主要结构蛋白
NS1 蛋白非结构蛋白，调节病毒 RNA 合成，pre-mRNA 的运输、剪切，mRNA 的翻译
NS2 蛋白非结构蛋白，NS2 蛋白与 M1 蛋白相互作用，参与病毒复制周期的调控

[!NOTE] 病毒的结构蛋白与非结构蛋白

  • 结构蛋白：病毒颗粒生存所必须的，如病毒的衣壳蛋白
  • 非结构蛋白：病毒在侵染和复制过程中表达，对增殖发挥作用的一类酶，如RNA聚合酶、蛋白酶等
  • AIV 感染机制
    1. HA 受体结合位点的突变导致 AIV 易于感染人类细胞
    2. PB2 蛋白 627 位氨基酸残基的点突变导致 AIV 复制能力增强
    3. NS1 蛋白 92 位氨基酸残基突变导致 AIV 致病能力显著增强