备课素材：HIV生命周期-2023——2024学年度第一学期高中生物学选择性必修一

HIV生命周期 2019版高中生物学选择性必修一提到了HIV: 那么,HIV如何侵入淋巴T细胞完成生命周期? HIV是一种逆转录病毒,其基因组由大约9 kb的RNA组成,包括九个不同的基因,可以编码15种蛋白质。 其基因组中有三个主要基因:gag、pol和env。gag基因编码病毒核衣壳的结构蛋白,pol基因编码参与病毒复制的酶,env基因编码病毒包膜糖蛋白。gag和pol的mRNA在翻译后由病毒蛋白酶(pol编码)切割成不同功能的蛋白。pol单独编码了病毒复制所需的三个主要酶:逆转录酶、整合酶和病毒蛋白酶。env基因的产物是gp160,被宿主细胞蛋白酶切割成gp120和gp41,然后在病毒包膜中组装成三聚体。 A,HIV 基因组结构图;B,HIV基因编码蛋白对应的病毒结构。 HIV还有其它六个较小的调节基因,编码影响病毒复制和感染的功能蛋白。其中两个基因Tat和Rev在病毒复制周期的早期起着调节功能。剩下的四个基因Nef、Vif、Vpr和Vpu对于病毒的高效率产生至关重要。 1、病毒的生命周期:进入 病毒-细胞结合主要通过病毒表面装饰的包膜棘突与目标T细胞表面分子之间的非特异性相互作用来介导。包膜棘突是由非共价结合的表面糖蛋白(gp120)和跨膜糖蛋白(gp41)亚单位组成的异二聚体三聚体。 HIV进入细胞起重要作用的是的其包膜上的一个大“钩子”,这是HIV设计的精巧开关,一旦和T细胞相遇,它会牢牢地勾住T细胞。同时,“钩子”里藏有一排“牙齿”,这排“牙齿”随即咬开T细胞的细胞膜,从而让病毒进入到T细胞中。 2、病毒的生命周期:基因组的逆转录和整合 逆转录酶(RT)将病毒RNA基因组逆转录为双链cDNA。RT没有校对机制,它具有三种活性:RNA依赖性DNA聚合酶、核酸酶H(RNase H)和DNA依赖性DNA聚合酶活性。 病毒cDNA的整合到宿主细胞基因组是由整合酶和几种宿主蛋白的作用介导的。它需要病毒长末端重复序列(LTRs),并优先靶向于宿主基因组的活跃转录区域。整合可以导致产生潜伏的或转录活跃的病毒cDNA,称为原病毒(provirus)。活跃的原病毒是病毒在宿主细胞内部复制和转录的模板。潜伏的原病毒是无法完全清除感染者体内病毒的原因,也是完全治愈HIV的巨大挑战,感染者体内潜伏感染细胞的数量非常少,大约为10^6数量级。 原病毒(Provirus)示意图。 3、病毒的生命周期:病毒基因组的复制和转录 病毒的复制在整合后开始,通过宿主细胞RNA聚合酶产生新生的病毒RNA基因组。基因组的转录受到结合在病毒基因组两侧的LTR序列内的蛋白质调控,激活的T细胞诱导转录因子NF B和NFAT蛋白的表达,它们结合到原病毒LTR并启动HIV基因组的转录。 (A)在活化的T细胞中,转录因子(NF B和NFAT)的水平升高,NF B与HIV LTR相结合并招募P-TEFb,HAT和SWI / SNF重塑机制。这导致染色质整体解压缩并使其他转录因子可以结合。(B)进入静止状态后,转录因子NF B,NFAT和共激活因子P-TEFb的水平降低,减少了HIV转录。它们还减少了Tat的水平。 第一个病毒转录本(transcript)会被充分的剪切,产生编码几种调节蛋白的mRNA,包括Tat和Rev。Tat既可以增强原病毒的转录,又结合RNA转录本,使其稳定成可翻译的形式。Rev结合RNA转录本并将其运输到细胞质。随着Rev水平的增加,未被充分剪切和未经剪切的病毒转录本逐渐从细胞核中释放到细胞质。单剪切和未经剪切的转录本会编码病毒的结构蛋白,未经剪切的转录本也是新的病毒基因组,它们与这些蛋白一起包装成许多新的病毒颗粒。 病毒的转录和翻译示意图 4、病毒的生命周期:病毒的组装和出芽 病毒的组装和出芽发生在宿主细胞的细胞膜上。p55是Gag前体蛋白,p55转运到细胞膜,并附着在磷脂双分子层上,组装成未成熟的病毒核心,Env糖蛋白通过gp41的跨膜锚附着在其中,其他结构性病毒蛋白也会在细胞膜上共同组装。特别是与两个拷贝的病毒RNA基因组、Gag-Pol多蛋白、Vpr、Vif和Nef结合。其中一个关键的结构性蛋白是p6,它将病毒核心与细胞膜上的泡腺体分选复合物的组分连接在一起。 HIV颗粒的组装和出芽。(1)Gag在 RNA区域结合病毒RNA。(2)Gag-vRNA复合物、游离的Gag和Gag-Pol蛋白质向细胞质移动;(3)Gag的N末端MA结构域结合到细胞膜而C末端NC结构域伸向细胞质并结合病毒RNA。通过MA-脂质、Gag-Gag和NC/RNA相互作用,Gag和Gag-Pol单元聚集。其他组分被加载到Gag上。RNA结构、Gag结构的不断增大、GagNC-actin的相互作用以及最后通过ESCRT招募(4和5)介导膜的塌陷和病毒颗粒的最终出芽(6)