艾滋病與人類(lèi)免疫缺損病毒的分子生物學(xué)

艾滋病與人類(lèi)免疫缺損病毒的分子生物學(xué)

Molecularbiologyofacquiredimmunodeficiencysyndromeandhumanimmunodeficiencyvirus

第十四章內(nèi)容8.1概述8.2HIV病毒的形狀構(gòu)造與傳染8.3HIV基因構(gòu)造及編碼的蛋白8.4HIV的感染與復(fù)制8.5HIV基因的表達(dá)調(diào)控8.6病毒的致病機(jī)制8.7病毒感染與機(jī)體免疫8.8病毒感染的診斷8.9艾滋病的治療和預(yù)防８.１概述HIV在病毒分類(lèi)學(xué)上屬逆轉(zhuǎn)錄病毒科〔Retroviridae〕，慢病毒屬中的靈長(zhǎng)類(lèi)免疫缺損病毒亞屬，包括兩種，即HIV-I和HIV-II。該病毒科中共有7屬。反轉(zhuǎn)錄病毒科的主要成員如下表1。表1８.２HIV病毒的形狀構(gòu)造與傳染

一、形狀構(gòu)造1、HIV構(gòu)造(平面)圖.12.HIV構(gòu)造(立體)圖.2傳播途徑：血液、血液制品以及人體分泌液，如奶液和精液等。傳播對(duì)象：T淋巴細(xì)胞，也可以感染其他類(lèi)型如B淋巴細(xì)胞和單形核細(xì)胞等。危害：HIV可以攻擊人體的免疫系統(tǒng)，特別是可以侵入T細(xì)胞，使T細(xì)胞大量死亡，導(dǎo)致患者喪失一切免疫功能。二、病毒的傳染８.３HIV基因構(gòu)造及編碼的蛋白一、基因構(gòu)造HIV基因組由兩條單鏈正鏈RNA組成，每個(gè)RNLA基因組約為9.7kb。在RNA5’端有一帽子構(gòu)造(m7G5`GmpNp)，3’端有P0ly(A)尾巴。由構(gòu)造上包括LTR，構(gòu)造蛋白編碼區(qū)〔gag〕，蛋白酶編碼區(qū)〔pro〕，多種酶活性的蛋白編碼區(qū)〔pol〕，外膜蛋白〔env〕編碼區(qū)以及6個(gè)調(diào)理基因。見(jiàn)(圖3)、〔圖4〕。圖.3圖.4HIV基因構(gòu)造及編碼的蛋白二、編碼蛋白的功能1.gag基因:gag基因編碼病毒的中心蛋白，翻譯時(shí)先構(gòu)成一個(gè)分子量大約是55kD的前體蛋日〔p55〕，然后在HIV蛋白酶的作用下裂解成p17、p24、p15三個(gè)蛋白質(zhì)。p24和p17分別參與構(gòu)成HIV顆粒的內(nèi)殼和內(nèi)膜，p15進(jìn)一步裂解成與病毒RNA結(jié)合的核殼蛋白p9和p7。2.pol基因:pol基因編碼病毒復(fù)制所需的酶類(lèi)，其中p66蛋白為逆轉(zhuǎn)錄酶，p32蛋白那么為整合酶〔integrase，INT〕。3.pro基因:從pol和gag基因重疊區(qū)內(nèi)起始的一段序列為pro基因，它編碼蛋白酶p22，p22在裂解上述HIV蛋白前體構(gòu)成終末成熟蛋白的過(guò)程中起著主要作用。4.env基因:env基因先編碼出一個(gè)88kD的蛋白質(zhì)，經(jīng)糖基化后分子量增至160kD，這就是HIV包膜糖蛋白前體gP160。該前體蛋白在蛋白酶作用下被切割成gp120和gp41，gp120暴露于病毒包膜之外稱(chēng)外膜蛋白。８.４HIV的感染與復(fù)制圖.5HIV的感染過(guò)程HIV的感染HIV感染細(xì)胞時(shí)可與細(xì)胞的CD4受體蛋白相結(jié)合；gp41稱(chēng)跨膜蛋白，是嵌入病毒包膜脂質(zhì)中的部分。當(dāng)gp120與CD4受體結(jié)合后，其構(gòu)象改動(dòng)導(dǎo)致與gP41分別，暴顯露的gp41可插入細(xì)胞膜，呵斥膜交融，致使病毒中心被導(dǎo)入細(xì)胞。HIV與受體結(jié)合后，病毒中心進(jìn)入細(xì)胞并在酶作用下脫去蛋白殼。RT以病毒RNA為模板合成單鏈DNA，隨之經(jīng)細(xì)胞的DNA聚合酶合成雙鏈cDNA。cDNA經(jīng)環(huán)化后整合到細(xì)胞染色體上，病毒核酸隨細(xì)胞的分裂而傳至子代細(xì)胞，非常穩(wěn)定，可長(zhǎng)期埋伏。原病毒整合到宿主染色體上,無(wú)病癥;原病毒利用宿主細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄和合成系統(tǒng)產(chǎn)生病毒mRNA,其中一部分編碼病毒蛋白,與基因組RNA組裝成新的病毒顆粒,從宿主細(xì)胞中釋放出來(lái)侵染其他安康細(xì)胞;宿主細(xì)胞死亡.主要過(guò)程總結(jié)如下:８.５HIV基因的表達(dá)調(diào)控LTR序列(1)中心調(diào)控元件(2)中心轉(zhuǎn)錄單位(3)反式作用因子應(yīng)對(duì)元件參與復(fù)制的調(diào)控蛋白(1)Tat蛋白(2)Rev蛋白(3)Nef蛋白(4)Vpr蛋白(5)Vpu蛋白(6)Vif蛋白一、LTR序列1.中心調(diào)控元件2.中心轉(zhuǎn)錄單位3.反式作用因子應(yīng)對(duì)元件〔見(jiàn)圖6〕調(diào)理單位中心單位TRA圖.61.調(diào)理單位Coup-TFAP-1NF-ATUSFTCF-1аNF-κβ-453-78圖.7Coup-TF-371-334雞卵蛋白轉(zhuǎn)錄因子是coup-F家族中相對(duì)低分子量蛋白含有鋅指環(huán)構(gòu)造，起負(fù)調(diào)理作用AP-1激活蛋白1由含亮氨酸拉鏈構(gòu)造的c-jun和c-Fos家族成員組成的二聚體，屬于正調(diào)理因子-347-329NF-AT激活T細(xì)胞核因子〔有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)〕。-292-235-216-203USF上游激活因子含有螺旋-環(huán)-螺旋構(gòu)造具有負(fù)調(diào)理作用-160-173TCF-1аT細(xì)胞因子1a含有高速泳動(dòng)簇基序，起正調(diào)理作用--124NF-κβ核因子κβ含有鋅指環(huán)構(gòu)造及錨定蛋白反復(fù)序列，是加強(qiáng)子區(qū)。由3-4bp間隔的兩個(gè)10bp〔GGGACTTCCC〕序列構(gòu)成，擔(dān)任調(diào)控HIV基因在多種細(xì)胞〔尤其是T細(xì)胞〕中高速表達(dá)。-104-782.中心單位-780SP1TATA圖.8SP1Sp1含有與DNA結(jié)合的構(gòu)造和兩個(gè)富含谷氨酰胺的構(gòu)造域?？蓸?gòu)成二聚體或三聚體。當(dāng)三個(gè)sp1分子與DNA結(jié)合后，改動(dòng)了DNA的空間構(gòu)型，激活HIV基因的轉(zhuǎn)錄。-78富含GC-46TATATATA元件兩端有反向反復(fù)序列，能夠是轉(zhuǎn)錄因子螺旋-環(huán)-螺旋DNA結(jié)合蛋白的識(shí)別位點(diǎn)。TATA元件上結(jié)合的是一組蛋白質(zhì)，這些蛋白稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄因子ⅡD〔TFⅡD〕，也包括一些輔助激活蛋白〔TBP〕的細(xì)胞因子，這種作用是與RNA聚合酶相關(guān)，由此啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。-24-283.TRA圖.9TRA(反式激活因子應(yīng)對(duì)元件)似發(fā)夾構(gòu)造，含有4個(gè)莖區(qū)和一個(gè)環(huán)區(qū)的穩(wěn)定構(gòu)造，此構(gòu)造與tat蛋白結(jié)合有關(guān)。只需與tat蛋白共結(jié)合，才干轉(zhuǎn)錄出長(zhǎng)mRNA，否那么只能轉(zhuǎn)錄出小段的mRNA。二、參與HIV復(fù)制的調(diào)控蛋白1.Tat蛋白2.Rev蛋白3.Nef蛋白4.Vpr蛋白5.Vpu蛋白6.Vif蛋白〔1〕Tat蛋白的構(gòu)造由tat基因編碼，tat有兩個(gè)外顯子，前外顯子編碼67aa,后外顯子編碼34aa，共101aa。兩個(gè)外顯子所構(gòu)成的肽共有6個(gè)構(gòu)造區(qū)。前外顯子有5個(gè)區(qū)，后外顯子為一個(gè)區(qū)。見(jiàn)〔圖.10〕1.Tat蛋白Tat蛋白有6個(gè)構(gòu)造區(qū)，見(jiàn)以下圖，其中第一、第二和第四個(gè)三個(gè)構(gòu)造區(qū)與反式激活功能有關(guān)。圖.10Tat蛋白的構(gòu)造表示圖第1區(qū)為N區(qū)，也是酸性氨基酸區(qū)，因含有Gln和Asp對(duì)激活HIV-1基因的表達(dá)有加強(qiáng)作用。第2區(qū)為富含Cys區(qū)，在其16個(gè)aa中含有7個(gè)Cys,可以與二價(jià)金屬離子構(gòu)成tat二聚體，在7個(gè)Cys中有6個(gè)是維持tat活性所必需的。第4區(qū)為堿性區(qū)，有兩個(gè)功能：48~52為GRKKR〔甘-精-賴(lài)-賴(lài)-精〕序列，是核仁定位信號(hào)，可介導(dǎo)本身或異種蛋白進(jìn)入細(xì)胞核。該肽段可與TAR的RNA的凸起部分特異結(jié)合。〔2〕調(diào)控原理Tat與TAR是一個(gè)協(xié)同調(diào)解過(guò)程。TAR序列及完好的高級(jí)構(gòu)造對(duì)調(diào)控的影響。假設(shè)TAR序列發(fā)生突變，雖tat蛋白也能結(jié)合，但不能激活HIV表達(dá)。寄主因子協(xié)同作用的影響在不同的細(xì)胞中，tat的活性可有上千倍的差別，在人鼠雜交細(xì)胞中，只需在堅(jiān)持人第12號(hào)染色體的雜交瘤細(xì)胞中，tat才干有效地激活HIV-1的轉(zhuǎn)錄。闡明其調(diào)控還需寄主細(xì)胞編碼蛋白的協(xié)助作用。上游啟動(dòng)子和加強(qiáng)子對(duì)調(diào)控的影響當(dāng)TAR遠(yuǎn)離啟動(dòng)子時(shí)，它的活性迅速下降。而且這種依賴(lài)作用對(duì)非激活和激活細(xì)胞并不一樣，對(duì)激活細(xì)胞作用非常大，而NF-κβ的作用恰與上述依賴(lài)作用相反。Rev蛋白由兩個(gè)外顯子組成，分別編碼一個(gè)25個(gè)氨基酸和91個(gè)氨基酸的肽段，這兩個(gè)肽段最終組成一個(gè)116個(gè)氨基酸、其主要功能是促進(jìn)HIV基因表達(dá)由早期〔轉(zhuǎn)錄調(diào)理蛋白mRNA〕向晚期〔轉(zhuǎn)錄HIV構(gòu)造蛋白mRNA〕的轉(zhuǎn)化，并促進(jìn)晚期轉(zhuǎn)錄的進(jìn)展。2.Rev蛋白Nef蛋白由Nef基因編碼的，分子量為27kD，屬于負(fù)調(diào)控蛋白和磷酸化蛋白，與細(xì)胞的膜構(gòu)造相結(jié)合。Nef蛋白非HIV復(fù)制所必需，但可抑制HIVLTR特異性轉(zhuǎn)錄的HIV－1原病毒基因的表達(dá)。3.Nef蛋白Vpr蛋白由96個(gè)氨基酸構(gòu)成，亦非HIV復(fù)制所必需，但存在于病毒顆粒中。含有vpr基因的HIV毒株與無(wú)vpr基因的HIV毒株比較，前者在細(xì)胞中生長(zhǎng)較快，致細(xì)胞病變也較強(qiáng)于無(wú)vpr基因的天然株。4.Vpr蛋白Vpu蛋白是含81個(gè)氨基酸的磷酸化蛋白，為HIV－1特有，其功能能夠是促進(jìn)HIV－1顆粒的裝配和從細(xì)胞膜釋放，或抑制HIV－1顆粒從細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)中芽生。5.Vpu蛋白Vif蛋白是分子量為23kD的病毒顆粒感染性因子，缺失Vif基因的HIV－1可在細(xì)胞內(nèi)正常復(fù)制并產(chǎn)生病毒顆粒，但其比無(wú)Vif基因缺失的HIV-1產(chǎn)生的病毒顆粒的感染性低1000倍。6.Vif蛋白HIV復(fù)制與細(xì)胞表達(dá)圖解RNARTcDNA(單鏈)DNA聚合酶環(huán)化細(xì)胞染色體切割酶切口切口p32DNA(雙鏈)LTRSp1TATATARgagpolvprvpuenvnefLTRRevratvif指點(diǎn)調(diào)控基因表達(dá)(構(gòu)造基因不表達(dá))Tat蛋白tatRev蛋白nef蛋白Vpu蛋白Vpr蛋白Vif蛋白R(shí)evRev運(yùn)入細(xì)胞質(zhì)構(gòu)造基因表達(dá)構(gòu)造蛋白R(shí)NA組裝新的HIV侵染轉(zhuǎn)錄mRNAmRNA迅速被切割運(yùn)入細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)錄不被切割８.６病毒的致病機(jī)制一、臨床病癥感染的急性期：HIV初次感染人體后，開(kāi)場(chǎng)大量復(fù)制和分散的過(guò)程，這時(shí)感染者血清出現(xiàn)HIV抗原，從外周血細(xì)胞、腦脊液和骨髓細(xì)胞也能分別到HIV。無(wú)病癥埋伏期：約70％以上的原發(fā)感染者在感染后2～4周內(nèi)出現(xiàn)急性感染病癥，包括發(fā)熱、咽炎、淋巴結(jié)腫大繼續(xù)1～2周，此期感染者無(wú)任何臨床病癥，形同安康人，外周血中HIV抗原含量很低或檢測(cè)不到。艾滋病相關(guān)綜合癥期：隨感染時(shí)間的延伸，HIV重新開(kāi)場(chǎng)大量復(fù)制并呵斥免疫系統(tǒng)的進(jìn)展性損傷。在臨床上，病人感染逐漸開(kāi)展到繼續(xù)性全身性淋巴腺病、艾滋病相關(guān)綜合癥〔AIDS－relatedcomplex，ARC〕。約有50％的感染者在感染后7～8年開(kāi)展到艾滋病。產(chǎn)毒性HIV感染的最終結(jié)果是產(chǎn)生大量病毒顆粒，呵斥感染細(xì)胞死亡，這是逆轉(zhuǎn)錄病毒科慢病毒亞科病毒的特征。HIV除在細(xì)胞內(nèi)大量繁衍呵斥細(xì)胞死亡外，還可經(jīng)以下幾種情況導(dǎo)致免疫功能下降：HIV顆粒外表的gp120蛋白零落，與正常TH細(xì)胞膜上CD4受體結(jié)合，該細(xì)胞被免疫系統(tǒng)誤以為是病毒感染細(xì)胞而遭殺滅。因TH細(xì)胞CD4受體被gpl20封鎖，影響其免疫輔助切能。HIVgp120蛋白可刺激機(jī)體產(chǎn)生抗其CD4結(jié)合部位的抗獨(dú)特型抗體，此抗體是抗CD4受體的抗本身抗體，可阻斷TH細(xì)胞的功能。受染細(xì)胞外表帶有病毒包膜蛋白gp120，可與其他CD4+細(xì)胞結(jié)合并構(gòu)成巨細(xì)胞而失去功能，如此加速了HIV對(duì)免疫系統(tǒng)損害的范圍和程度。二、病因：病毒的致病機(jī)制超抗原〔superantfeen〕：超抗原可導(dǎo)致小鼠體內(nèi)特定的T淋巴細(xì)胞亞群的消逝和免疫缺損的發(fā)生。普通抗原需求經(jīng)T淋巴細(xì)胞受體的α和β兩條鏈的識(shí)別才干激活一細(xì)胞。體內(nèi)有多種α鏈和β鏈，二者可恣意配對(duì)，構(gòu)成極為多樣的受體組合和外表帶該抗體的T淋巴細(xì)胞亞群，而超級(jí)抗原那么與T淋巴細(xì)胞受體β鏈結(jié)合，導(dǎo)致一切帶有此β鏈的T淋巴細(xì)胞亞群均被激活。而且與被普通抗原激活的結(jié)果不同，這些T淋巴細(xì)胞亞群不是產(chǎn)生了對(duì)抗原的免疫反響并分裂增生，而是喪失了對(duì)抗原的反響。并逐漸從免疫系統(tǒng)中消逝。８.７病毒感染與機(jī)體免疫一、體液免疫HIV自然感染過(guò)程中，機(jī)體可產(chǎn)生高滴度的抗HIV多種蛋白質(zhì)的抗體，包括中和抗體。中和抗體雖然有組特異性的，但主要是型特異性的。這些抗體有一定的維護(hù)作用，主要是在急性感染期降低血清中的病毒抗原量乃至去除病毒。二、細(xì)胞免疫HIV感染也刺激機(jī)體產(chǎn)生細(xì)胞免疫，包括依賴(lài)于抗體的細(xì)胞毒性〔antibody－dePendentcellmediatedcytotoxicity，ADCC〕、細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)〔cytotoxicTlymPhocyte，CTL〕和自然殺傷細(xì)胞〔naturalkillercell，NK〕等。特異性細(xì)胞免疫反響，特別是CTL對(duì)于殺傷HIV感染的細(xì)胞和阻止HIV經(jīng)細(xì)胞接觸而擴(kuò)分發(fā)揚(yáng)重要作用，CTL可以協(xié)助去除急性感染期多部位HIV感染灶和HIV感染早期的少量有HIV復(fù)制的細(xì)胞。８.８病毒感染的診斷艾滋病診斷就是要找出HIV感染的證據(jù)，即HIV抗原或抗HIV抗體的存在。一、抗原檢測(cè)1、病毒分別2、逆轉(zhuǎn)錄酶測(cè)定3、核酸測(cè)定二、血清學(xué)診斷HIV感染血清學(xué)診斷的方法有多種，與各種方法均是獨(dú)立確實(shí)診實(shí)驗(yàn)的抗原檢測(cè)方法不同，每種血清學(xué)診斷方法各有所長(zhǎng)及缺乏，經(jīng)常按一定的組合配合運(yùn)用，以相互補(bǔ)充，到達(dá)做出高效、正確診斷的目的。８.９艾滋病的治療和預(yù)防一、治療迄今為止，雖然對(duì)艾滋病的研討遭到了高度注重，仍無(wú)任何藥物可以完全抑制HIV在感染者體內(nèi)的增殖并徹底治愈艾滋病。目前，已同意的抗HIV病毒藥物主要有：核苷酸型反轉(zhuǎn)錄酶抑制劑〔表2〕、非核苷酸型反轉(zhuǎn)錄酶抑制劑〔表3〕和蛋白酶抑制劑〔表4〕。

核苷酸型反轉(zhuǎn)錄酶抑制劑Abacavir(ABC)Stavudine(d4T)Didanosine(ddl)Zalcitabine(ddc)Lamivudine(3Tc)Zidovudine(AZT)表.2非核苷酸型反轉(zhuǎn)錄酶抑制劑EfavirenzNevirapineDelavirdine表.3蛋白酶抑制劑AmprenavirIndinavirLopinavirNelfinavirRitonavirSaquinavir表.4二、預(yù)防病毒疫苗1.HIV疫苗運(yùn)用與失敗在HIV疫苗運(yùn)用的宏大市場(chǎng)兩方面要素的驅(qū)動(dòng)下，早期H