人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)起源于非洲黑猩猩非人灵长类动物猿类免疫缺陷病毒,于1983年被首次发现并成功分离
[1]。其中,HIV-1是全球流行的主要毒株。HIV-1最初感染人体免疫细胞,并逐渐破坏整个免疫系统,最终发展为获得性免疫缺陷综合征(acquired immune deficiency syndrome,AIDS)。当HIV-1感染宿主细胞时,病毒基因组整合到宿主基因组中形成潜伏库,HIV-1潜伏库是AIDS难以治愈的主要原因
[2]。反式激活蛋白(transactivator,Tat)是HIV-1编码的调节蛋白,是HIV-1复制所必需的病毒蛋白,在调控HIV-1转录、潜伏和病毒反弹方面发挥关键作用
[3]。Tat蛋白与HIV-1转录起始和延伸有关的长末端重复序列(long terminal repeat,LTR)结合,通过增强HIV-1转录促进潜伏库激活,Tat蛋白表达不足则抑制转录,进而维持HIV-1潜伏状态
[4]。
目前,联合抗逆转录病毒疗法(combination antiretroviral therapy,cART)是AIDS的主要治疗方法之一。cART使用核苷逆转录酶抑制剂、蛋白酶抑制剂和整合酶抑制剂等药物联合作用,同时针对HIV-1生命周期的不同阶段,有效抑制感染者体内HIV-1复制,降低病毒载量并恢复整体免疫功能,明显提高感染者的存活率
[5]。但由于HIV-1潜伏库的存在,cART治疗并不能将患者体内病毒彻底清除,一旦停止给药,这种稳定的潜伏库可在数周内重新被激活,感染者需要终身治疗以维持对HIV-1的抑制
[6]。因此,清除或沉默潜伏库是HIV-1治疗策略的重点。随着对HIV-1潜伏库形成和维持机制的深入研究,现已提出多种针对HIV-1潜伏库的治疗方案,主要分为“激活和杀伤”策略和“阻断和锁定”策略
[7]。研究
[7]表明:通过“激活和杀伤”策略并不能彻底激活并消除HIV-1潜伏库,为此提出了一种更为可行的策略,即“阻断和锁定”策略,利用HIV-1潜伏库的特性抑制其前病毒转录激活,实现HIV-1长期转录沉默。在“阻断和锁定”策略中,Tat蛋白被认为是治疗HIV-1的优良靶点,如Tat蛋白抑制剂二脱氢皮质抑素A(didehydro-Cortistatin A,dCA)可以在体外和体内维持高稳定性,长期抑制HIV-1潜伏激活
[8]。以Tat蛋白为靶点的治疗策略的研究对深入了解HIV-1潜伏机制具有重要意义。
1 HIV-1潜伏库形成和维持机制
1.1 HIV-1潜伏库的形成机制
病毒潜伏是单个细胞处于可逆的非生产性感染状态,HIV-1潜伏库形成是病毒逃避机体免疫识别和持续存活的重要形式
[9]。HIV-1感染细胞后,将基因组RNA释放至宿主的细胞质中,在逆转录酶的作用下合成双链DNA并被转运进入细胞核。病毒整合酶将其稳定整合至细胞的基因组中形成前病毒后潜伏
[10],为目前HIV-1潜伏库的主要形成方式,也是HIV-1基因组能够在感染细胞的生命周期中持续存在的关键原因。随着相关研究的深入,研究者还提出了建立HIV-1潜伏库的其他模型,如HIV-1感染CD4+T淋巴细胞,并随CD4+T淋巴细胞进入到静息G0期状态时而进入潜伏期
[2]。研究
[2]显示:潜伏库也可以通过HIV-1直接感染静息记忆CD4+T淋巴细胞而建立。相关CD4+T淋巴细胞作为长寿命细胞在机体中分布广泛,具有较长的半衰期,可以在静息状态下存活数年,也是HIV-1潜伏库长期存在的重要因素之一
[11]。
1.2 HIV-1潜伏库的维持机制
HIV-1潜伏库前病毒转录水平低,不会受到细胞毒性的影响,也不会被免疫系统所识别,能够长期稳定存在
[2]。但潜伏库的维持机制十分复杂,多种因素共同维持HIV-1的低转录状态,包括转录干扰、核小体Nuc-1的表观遗传修饰和位置迁移、转录因子的抑制、微小RNA(microRNAs,miRNAs)的过度表达以及HIV-1调节蛋白Tat及调节HIV病毒颗粒蛋白表达的蛋白质(regulator of expression of viron protein,Rev)表达不足等
[8,12-13]。研究
[14]显示:在HIV-1潜伏于U1细胞中,前病毒编码的Tat蛋白存在基因缺陷,会损害其再激活能力,提示Tat蛋白活性丧失有利于HIV-1转录的长期抑制。
2 HIV-1潜伏库的治疗策略
目前,针对HIV-1潜伏库的治疗策略主要分为“激活和杀伤”策略和“阻断和锁定”策略,可用于清除或沉默HIV-1潜伏库。
2.1 “激活和杀伤”策略
“激活和杀伤”策略是目前研究最多和临床最为常见的HIV-1治疗方法之一,该策略通过使用潜伏逆转剂(latency reversing agents,LRAs)诱导HIV-1前病毒转录和病毒粒子产生,最后由宿主免疫细胞识别或触发病毒细胞病变效应清除感染细胞
[15]。LRAs是“激活和杀伤”策略的关键,目前已经发现几十种具有不同功能的逆转剂,可通过直接或间接方式发挥作用。如组蛋白甲基转移酶抑制剂通过直接去除HIV-1 DNA甲基化而激活潜伏库,蛋白激酶C激动剂能够介导天然免疫应答进而间接激活潜伏库
[16-17]。Tat蛋白是部分LRAs发挥激活功能的关键一环。BET溴结构域抑制剂JQ1与Tat蛋白协同作用增加HIV-1转录,而毛壳素和双硫仑等LRAs则需在Tat蛋白存在下有效促进HIV-1潜伏库的激活
[18]。但是“激活和杀伤”策略也存在一些问题,由于LRAs作用位点单一和缺乏特异性,易引发过度炎症反应,还可能额外激活体内的巨细胞病毒、丙型肝炎病毒和内源性逆转录病毒等潜伏病毒
[19]。因此“激活和杀伤”策略相关临床试验并未达到预期效果。
2.2 “阻断和锁定”策略
鉴于“激活和杀伤”策略的局限性,目前开发了一种有望实现HIV-1功能性治愈的治疗策略——“阻断和锁定”策略。与“激活和杀伤”策略不同,“阻断和锁定”策略通过靶向HIV-1前病毒或宿主因子,沉默HIV-1前病毒,削弱病毒反弹
[7]。即使在停止治疗后,依然可将HIV-1控制在无法检测到的低水平,从而实现功能性治愈。
在“阻断和锁定”策略中,RNA干扰(RNA interference,RNAi)和常间回文重复序列丛集-常间回文重复序列丛集关联蛋白系统9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats-associated protein 9,CRISPR-Cas9)技术通过靶向HIV-1的Tat、Rev和长末端重复序列(long terminal repeat,LTR)等区域,阻断HIV-1的基因表达,促进HIV-1潜伏
[20-21]。但其递送和脱靶等问题还有待进一步研究。
根据“阻断和锁定”策略开发的一系列小分子化合物称为潜伏促进剂(latency promoting agents,LPAs),可通过抑制HIV-1蛋白和相关转录因子,阻断潜伏细胞中HIV-1的转录,维持HIV-1潜伏状态
[7]。在不同类型的LPAs中,Tat蛋白抑制剂被认为是具有应用前景的治疗方案。如dCA能够特异性结合Tat蛋白的反式激活因子(transactivation response,TAR)元件,抑制HIV-1转录,在潜伏细胞系和原代CD4 T淋巴细胞中阻断HIV-1潜伏库再激活
[22]。即使在LRAs刺激下,潜伏状态也可持续较长时间。小分子化合物Q308能够通过促进Tat蛋白降解以抑制HIV-1转录,并且对细胞活力无影响
[23]。
以Tat蛋白为靶点的抑制剂不仅特异性强,还能避免脱靶效应并减轻药物不良反应,能够有效阻断HIV-1潜伏库激活。
3 Tat蛋白在HIV-1潜伏库建立和激活中的作用
Tat蛋白是HIV-1编码的一种非结构蛋白,由2个外显子拼接而成,是HIV-1复制周期所必需的调节蛋白
[24]。Tat蛋白包含酸性N末端结构域、半胱氨酸富集结构域、疏水核心结构域、碱性氨基酸富集结构域、谷胱酰胺富集结构域和精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Arginine-Glycine-Aspartic Acid,RGD)序列6个结构域
[25]。其中N端激活结构域(包含酸性N末端结构域、半胱氨酸富集结构域和疏水核心结构域)与细胞周期蛋白CycT1等多种细胞蛋白相互作用有关,碱性氨基酸富集结构域对Tat蛋白与TAR结合、细胞核定位和内化进入旁观者细胞等功能至关重要
[24]。Tat蛋白招募由CycT1和细胞周期蛋白依赖性激酶9(cyclin-dependent kinase 9,CDK9)组成的阳性转录延伸因子b(positive transcription elongation factor b,P-TEFb),并形成复合物,该复合物通过Tat蛋白碱性氨基酸富集结构域与HIV-1 LTR区的TAR相互结合并磷酸化RNA聚合酶Ⅱ (RNA polymeraseⅡ,RNAPⅡ)C末端结构域,促进HIV-1转录激活
[26]。而当Tat蛋白表达不足或其活性受到抑制时,HIV-1转录受到抑制,促使HIV-1潜伏库建立。
在感染细胞中,HIV-1潜伏库的激活主要取决于Tat蛋白所参与的病毒反馈回路,而非细胞因子激活
[27]。与细胞因子激活比较,Tat蛋白对HIV-1 LTR的激活更有效,诱导潜伏库激活效率更加明显。当Tat蛋白表达量足够时,能够促进HIV-1转录起始或延伸,抵消多种与维持HIV-1潜伏库有关的胞内机制
[28]。如Tat蛋白可以促进核因子κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)活性形式P50/P65的核定位,促使其与HIV-1 5'LTR结合并启动转录
[29]。Tat蛋白还能够将组蛋白乙酰转移酶招募至HIV-1 5'LTR上, 诱导核结合蛋白1 (nucleobindin-1,Nuc-1)组蛋白乙酰化,乙酰化导致染色质松弛,增加转录因子与HIV-1前病毒结合的可能性
[30]。研究
[31]表明:在感染者静息记忆CD4 T淋巴细胞中表达外源性Tat蛋白可以直接激活HIV-1前病毒转录。当Tat蛋白表达不足或失去活性时,RNAPⅡ在转录至TAR后暂停并累积,前病毒无法继续转录产生成熟的RNA转录本,HIV-1转录延伸受到抑制,有利于建立并维持HIV-1潜伏状态
[32]。研究
[33]显示:泛素样含PHD和环指域蛋白1(ubiquitin-like with PHD and RING finger domain 1,UHRF1)与TAR竞争性结合Tat蛋白,并通过泛素-蛋白酶体途径使其降解,从而抑制HIV-1转录。宿主限制因子核仁蛋白P120(nucleolar protein P120,NOP2)含有RNA甲基转移酶催化结构域,可与Tat蛋白竞争性结合TAR,抑制HIV-1转录并促进其潜伏
[34]。
鉴于Tat蛋白在转录激活中的重要作用,抑制Tat蛋白的表达和活性会阻断HIV-1基于Tat蛋白而建立的正反馈回路,有望实现HIV-1潜伏库的永久性沉默。
4 以Tat蛋白为靶点的“阻断和锁定”策略抑制剂
在HIV-1潜伏库激活前期仅产生少量Tat蛋白,通过反馈回路不断产生新的Tat蛋白和病毒粒子,最终使HIV-1由细胞中爆发并感染相邻的细胞
[35]。抑制Tat蛋白会阻断此种反馈,抑制HIV-1转录和释放。研究人员已经研究了一系列靶向Tat蛋白的抑制剂,可能有助于开发新的抗HIV-1药物。见
图1。
4.1 Tat蛋白抑制剂dCA抑制Tat蛋白与TAR相互作用和组蛋白乙酰化
皮质抑素A(cortistatins A,CA)是最近被发现的一种天然甾体生物碱,来源于海洋海绵单一皮质
[36]。dCA是CA的一种类似物,通过与Tat蛋白相互作用有效抑制HIV-1转录
[37]。dCA特异性结合Tat蛋白碱性氨基酸富集结构域,将Tat蛋白锁定在更稳定的构象中
[22],阻断了Tat蛋白与TAR的相互作用,进而抑制Tat蛋白的反式激活能力。研究
[38]显示:长期dCA治疗对HIV-1潜伏库再激活的抑制效果更加明显,在不同功能的LRAs刺激下可维持16 d,即使停止dCA治疗血液中病毒载量也在检测线以下。但此种持久性抑制由于外源Tat蛋白表达而恢复,并且dCA对Tat/TAR缺陷潜伏细胞系的HIV-1抑制效果不明显,表明dCA抑制HIV-1转录激活可能与体内Tat蛋白活性丧失有关,其再激活能力受损导致HIV-1转录水平降低
[39]。dCA对Tat蛋白介导的HIV-1潜伏库激活具有特异性和广谱性,其对不同亚型的HIV-1 Tat蛋白和不同细胞系对细胞外Tat蛋白的摄取均有抑制作用,该抑制作用与其他已知配体及其旁系同源物的作用无关
[40-41]。
除通过结合Tat蛋白影响病毒自身转录外,dCA还可调节HIV-1 5'LTR上Nuc-1的表观遗传修 饰
[37]。 染 色 质 免 疫 沉 淀 (chromatin immunoprecipitation,ChIP)实验结果显示:dCA处理后,OM-10.1细胞的5'LTR与Nuc-1结合能力增强,Nuc-1组蛋白乙酰化水平降低,阻断了RNAPⅡ的募集和转录延伸
[38]。dCA通过抑制5'LTR对RNAPⅡ和转录激活因子的募集,减少HIV-1 mRNA合成,最终减少包括Tat蛋白在内的病毒蛋白产生。
dCA体外和体内稳定性高、具有类似药物的结构和高水溶性易于配制等优点,是dCA作为潜在Tat蛋白抑制剂的独特优势
[40]。dCA对Tat-TAR和表观遗传修饰具有双重抑制作用,尤其是鉴于Tat-TAR反馈回路在HIV-1转录中的独特作用,将dCA与目前已有的抗病毒药物联合使用,尽量减少已建立潜伏库大小并使之进入“深度潜伏”状态,成为“阻断和锁定”策略中实现HIV-1功能性治愈的可行性方案。
4.2 Tat突变体Nullbasic抑制Tat蛋白与P-TEFb相互作用和组蛋白乙酰化
反式显性阴性(trans-dominant negative,TDN)蛋白是一种突变体蛋白质,能够干扰或阻止野生型蛋白质发挥正常功能。2009年,MEREDITH等
[42]首次报道了一种Tat蛋白的TDN突变体Nullbasic,其整个碱性氨基酸富集区的氨基酸被甘氨酸和丙氨酸残基取代,能够与野生型Tat蛋白竞争性结合P-TEFb以抑制其反式激活。研究
[43]显示:在构建的稳定表达Nullbasic的J-Lat 6.3细胞中,HIV-1的潜伏不能被LRAs重新激活,表明Nullbasic可使细胞中HIV-1前病毒维持在潜伏状态。
Nullbasic还能够影响HIV-1 5'LTR上Nuc-1的表观遗传修饰。Nullbasic通过抑制其组蛋白乙酰化,降低RNAPⅡ在Nuc-1的占有率,抑制5'LTR与RNAPⅡ的结合,抑制HIV-1转录
[43]。Nullbasic对TZM-bl细胞系和原代CD4 T淋巴细胞中不同HIV-1亚型的复制均有抑制作用
[44]。Nullbasic还能够抑制HIV-1逆转录和Rev介导的病毒mRNA转运等,对HIV-1生命周期的多重抑制进行有效结合,有望成为HIV-1功能性治愈的候选药物
[45]。
4.3 HIV-1转录嵌合抑制剂HT1竞争性结合TAR和P-TEFb
在细胞中P-TEFb的活性受六亚甲基双乙酰胺诱导蛋白1(hexamethylene bisacetamide-inducible protein 1,HEXIM1)/7SK小核RNA(7SK small nuclear RNP,7SK snRNA)核糖核蛋白复合物的调节,HEXIM1及其旁系同源物HEXIM2通过将CycT1募集至7SK snRNA以抑制P-TEFb活性
[46]。Tat蛋白可将P-TEFb由7SK snRNA(与HEXIM1结合并使之失活)中置换出来,并将其转移至TAR中发挥作用。
LEOZ等
[47]将HEXIM1的精氨酸富集基序(arginine rich motif,ARM)结构域和抑制性结构域(inhibitory domain,ID)与Tat蛋白的激活结构域(activation domain,AD)结构域结合,设计出一种HIV-1转录嵌合抑制剂HEXIM1(150-220)-Tat(称为HT1),能够与Tat蛋白竞争性结合TAR和P-TEFb,抑制HIV-1 5'LTR转录。在HIV-1感染细胞系模型中,HT1抑制HIV-1感染,但并不会损害宿主的基因表达和细胞生长。在HIV-1潜伏型细胞系模型中,HT1抑制潜伏逆转剂佛波醇12-十四酸酯13-乙酯(phorbol 12-myristate 13-acetate,PMA)刺激的病毒再激活
[47]。HT1与“阻断和锁定”策略的观点相契合,是HIV-1潜伏库潜在的功能性抑制剂。
4.4 中药提取物雷公藤甲素诱导Tat蛋白降解
雷公藤甲素是由传统中草药雷公藤中提纯的二萜三氧化物,已用于治疗多种炎症和自身免疫性疾病,对乳腺癌、前列腺癌和头颈癌等均有抑制作用
[48]。雷公藤甲素还可通过抑制RNA聚合酶的活性影响基因组转录和翻译。如转录因子ⅢB(transcription factor ⅢB,TFⅢB)复合物介导RNAPⅢ的转录,该复合物由TATA结合蛋白(TATA-binding protein,TBP)、 B 相 关 因 子1(B-related factor 1,Brf1)和B双引物1(B double prime 1,Bdp1)组成。雷公藤甲素通过阻断TBP与Brf1间的相互作用,破坏TFⅢB形成抑制RNAPⅢ转录
[49]。
研究
[50]表明:雷公藤甲素可作为一种新的HIV-1抑制剂,降低Tat蛋白的稳定性进而抑制HIV-1复制。在雷公藤甲素作用下,HeLa细胞来源的TZM-bl细胞和感染不同HIV-1毒株的人外周血细胞,其病毒复制水平均受到抑制,病毒释放水平降低89%以上,且雷公藤甲素的抑制效果强于肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)对TZM-bl细胞中荧光素酶的激活效果
[50]。雷公藤甲素通过靶向Tat蛋白并增强其蛋白酶体降解,实现对HIV-1转录的抑制,该降解需要Tat蛋白的酸性N末端结构域参与,并且可被蛋白酶体抑制剂MG132完全恢复。
4.5 长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)非编码抑制剂活化T细胞核因子[non-coding repressor of(nuclear factor of activated T cells,NFAT),NRON]诱导Tat蛋白降解
lncRNA是非编码RNA的一种,参与基因转录、转录后调节和信号转导等多种细胞进程
[51]。LI等
[52]发现:lncRNA NRON与泛素/蛋白酶体系统中的Cullin 4B(Cul4B)和蛋白酶体亚基D11(proteasome subunit D11,PSMD11)结合,诱导Tat蛋白降解以抑制HIV-1转录。在HIV-1感染者静息CD4 T淋巴细胞中,随着HIV-1 RNA表达,内源性NRON表达水平降低,而高剂量的NRON可防止细胞中Tat蛋白积累,从而充当HIV-1潜伏库激活的屏障。
4.6 Q308诱导Tat蛋白降解
2021年,ZHOU等
[23]报道了一种阿帕塔隆的衍生物——Q308,可有效抑制潜伏HIV-1再激活,可能被开发为抗HIV-1药物。Q308对HIV-1的抑制作用已在J-Lat 10.6潜伏细胞系中被证实,与其他小分子化合物比较,Q308将PMA诱导的HIV-1潜伏激活水平由65.0%降低至6.5%,几乎消除PMA诱导的潜伏再激活。实验进一步证实Q308可通过增强病毒Tat蛋白酶体降解和抑制可促进染色质转录(facilitated chromatin transcription,FACT)复合物的活性,可有效抑制潜伏HIV-1潜伏库再激活。FACT是一种由结构特异性识别蛋白1(structure-specific recognition protein 1,SSRP1)和Ty16抑制因子(uppressor of Ty 16 homolog,SUPT16H)组成的异二聚体组蛋白伴侣,是体外RNAPⅡ通过核小体延伸转录物所必需的一种蛋白质
[53]。Q308还可优先诱导HIV-1潜伏细胞凋亡以抑制病毒反弹
[23]。上述结果支持了Q308在HIV-1功能性治愈策略的作用,并有望被开发为抗HIV-1药物。
以Tat为靶点的相关抑制剂的特异性更强且抑制范围更广泛,通过不同机制抑制HIV-1复制和潜伏库激活,以Tat蛋白为靶点的HIV-1潜伏库治疗策略具有潜在优势,有望实现HIV-1感染者的功能性治愈。
5 总结与展望
抗逆转录病毒治疗并不能明显减少HIV-1潜伏库,治疗中断后导致病毒快速反弹,潜伏库的存在导致HIV-1无法彻底治愈。针对HIV-1潜伏库,研究者提出了“阻断和锁定”策略和“激活和杀伤”策略,相比于“激活和杀伤”策略,新提出的“阻断和锁定”策略在治疗方面具有更大的潜力,其不仅影响HIV-1的复制能力,还影响潜伏库再激活进程,在理想情况下,无cART治疗也可实现HIV-1长期控制
[7]。因此,开发一种可使HIV-1潜伏库处于永久“深度潜伏”状态的抑制剂,将是实现功能性治愈的重要一步。
近年来,随着对Tat蛋白作用机制的深入研究,发现Tat蛋白不仅是HIV-1复制的重要因子,其对HIV-1潜伏库建立和再激活过程也有较大影响,当Tat蛋白表达不足时有助于潜伏库的建立。研究者也致力于寻找能够降解Tat蛋白或抑制Tat蛋白功能的化合物,以实现HIV-1的长期抑制。如天然提取物dCA、雷公藤甲素和小分子化合物Q308等都具有促使HIV-1长期抑制的潜力。但目前Tat蛋白功能性抑制剂存在一些问题,如雷公藤甲素可能会影响机体总mRNA转录水平和HIV-1对dCA的耐药性等,提示单一的治疗策略往往难以奏效,联合治疗策略可能成为未来的研究趋势
[3]。以Tat蛋白为靶点的研究为HIV-1治疗领域带来了新的希望,随着技术的不断进步和研究的不断深入,有望开发更多具有高效和低毒性的Tat蛋白抑制剂,为HIV-1的治疗提供更多选择。