SAMHD1限制HIV/SIV病毒復制功能研究的最新進展

彭靈娟,叢 喆,魏 強

（北京協和醫學院比較醫學中心，中國醫學科學院醫學實驗動物研究所，衛生部人類疾病比較醫學重點實驗室，國家中醫藥管理局人類疾病動物模型三級實驗室，北京 100021）

SAMHD1限制HIV/SIV病毒復制功能研究的最新進展

彭靈娟,叢 喆,魏 強

（北京協和醫學院比較醫學中心，中國醫學科學院醫學實驗動物研究所，衛生部人類疾病比較醫學重點實驗室，國家中醫藥管理局人類疾病動物模型三級實驗室，北京 100021）

SAMHD1是宿主限制性天然免疫分子，主要在髓系細胞及靜息CD4+T細胞中表達，通過降低胞內dNTP水平限制HIV-1的復制和感染。近來研究發現SAMHD1還能夠促進HIV/SIV病毒的基因重組、降解病毒基因組RNA以及抑制病毒在細胞間的傳播，在病毒的感染、復制、包裝、傳播等整個生命過程中都發揮著一定的作用。目前這一天然抗病毒蛋白分子已經成為HIV研究領域的新熱點，本文將就SAMHD1抗HIV病毒研究的最新進展做一綜述。

SAMHD1；HIV-1；Vpx

SAMHD1是近年來新發現的抗艾滋病毒（human immunodeficiency virus，HIV）的天然蛋白質分子，與 APOBEC3G、Trim5α、BST-2或 cyclophilin一樣都是固有免疫系統的一部分。人的SAMHD1基因位于20號染色體，編碼626個氨基酸，蛋白質的分子量為72.2×103［1]，最初在人樹突細胞中被發現。它包括 SAM（sterile alpha motif）和 HD （histidine-aspartic）兩個結構域。SAM結構域，包含45～110位氨基酸，參與蛋白與蛋白、蛋白與核酸之間的相互作用，具有信號轉導和轉錄調節的功能；HD結構域，包含164～319位氨基酸，含有兩個組氨酸和天冬氨酸，具有核酸酶、dGTP三磷酸酶、磷酸酶或磷酸二酯酶等活性［2-3]。 早期研究表明，SAMHD1蛋白作為限制因子，在髓系樹突細胞（myeloid derived dendritic cells，MDDCs）、巨噬細胞和CD4+靜息T細胞中，發揮dNTPase功能，通過降低胞內dNTP水平，阻止HIV-1病毒早期復制［4-5]。除此以外，最新研究發現，SAMHD1蛋白在HIV生命過程中多個重要環節都會發揮一定作用，本文將就這方面的研究進展作簡要綜述。

1 SAMHD1具有磷酸水解酶活性，通過降低dNTP水平來限制HIV-1的復制、促進病毒的基因重組

人們普遍認為在髓系細胞和靜息CD4+T細胞中，SAMHD1通過發揮磷酸水解酶作用，降低胞內的dNTP水平，從而達到限制HIV-1基因組的反轉錄，抑制感染的作用［4-5]。不只在人的細胞，Zhang R在小鼠的脾、淋巴結、胸腺和肺都發現高表達的SAMHD1蛋白，Rehwinkel和Behrendt在 SAMHD1缺陷小鼠的純合體模型中也發現，用HIV-1假病毒感染缺陷鼠或鼠的細胞時，HIV-1假病毒的感染具有dNTP依賴性，隨dNTP水平增加其反轉錄水平也逐漸增加，SAMHD1蛋白在體內具有類似的抵御HIV-1的作用，這一結論與體外實驗研究結果是一致的［6-8]。當siRNA沉默小鼠骨髓來源的巨噬細胞后，能顯著增加HIV-1的感染水平。當shRNA沉默了小鼠的單核細胞系RAW264.7，同樣增加了胞內dNTP水平，也增強了HIV-1病毒基因組的復制以及鼠白血病病毒的易感性［9]。

低水平的dNTP可以促進病毒基因組反轉錄的暫停和降解RNA模板，除了限制HIV-1的感染和復制外，還可以促進鏈轉移的發生進而導致病毒的基因重組［10-11]。基因重組是HIV-1多態性不斷增加的重要進化機制。重組發生在病毒基因組的反轉錄過程中，通過鏈轉移來實現。兩個病毒RNA之間的同源區域重組需要DNA的合成和降解RNA模板［12]。新的重組病毒可能具有傳播優勢，從而成為流行重 組 形 式 （circulating recombinant forms，CRFs）。全世界現已發現43種CRFs，此數量還會不斷增加。HIV-1基因重組將有利于病毒復制和傳播聯合起來，使病毒能更快地逃避藥物選擇和宿主免疫壓力。一些研究表明，HIV-1在每一個復制周期能夠大約重組2到3次，遠遠高于在其他逆轉錄病毒中觀察到的水平［13-14]。基因重組在HIV-1的分子進化、適應宿主和逃避藥物治療等方面都是不可或缺的部分。

兩種病毒RNA的同源重組需要DNA的合成和RNA模板的降解，在這個過程中，反轉錄的暫停直接增加鏈轉移的頻率和重組的發生［15-16]。事實上，艾滋病毒反轉錄的暫停導致更高頻率的鏈轉移。在單核來源的巨噬細胞（monocyte-derived macrophages，MDMs）中 SAMHD1發揮 dNTPase活性，減少反轉錄底物，限制HIV-1的復制。MDMs與激活的CD4+T細胞相比，HIV-1鏈轉移頻率是后者的兩倍［17]。轉染Vpx后，隨著SAMHD1蛋白被降解，胞內的dNTP水平升高，MDMs中HIV-1鏈轉移效率隨之降低。當SAMHD1的shRNA轉染到細胞THP1，HIV-1模板的轉換效率降低了兩倍。由于HIV-1不能編碼 Vpx蛋白，它可能比 HIV-2和SIVsm病毒進行更頻繁的基因重組，這也可能是HIV-1更流行的一個重要原因。

2 SAMHD1具有核酸酶活性，通過降解病毒RNA來限制HIV-1的復制

雖然一直以來，人們認為SAMHD1通過降低dNTP水平來限制HIV-1的復制，然而，也有學者發現，磷酸化的SAMHD1限制HIV-1感染，并沒有同時引起胞內dNTP水平的改變［18]。由此，人們開始注意到，dNTPase活性可能不是唯一作用機制。此前Beloglazova N［19]發現SAMHD1有降解單鏈DNA，單鏈RNA，以及DNA和RNA混合物中的DNA等功能。在AGS綜合癥研究中，Jeongmin Ryoo利用點突變分別構建了只具有RNase活性、只具有dNTPase活性和兩種酶活性都缺陷的三種突變體。分別轉染不表達SAMHD1的U937細胞后，發現只具有dNTPase的活性的SAMHD1降低了細胞內的dNTP水平，但不能限制HIV-1的感染；兩種酶活性都缺失的SAMHD1不能降低細胞內的dNTP水平和限制HIV-1的感染；只有具有RNase活性SAMHD1能限制HIV-1感染，抑制病毒早期和晚期反轉錄cDNA產物表達水平。并且在人的單核巨噬細胞和靜息的CD4+T細胞中，轉染siRNA沉默SAMHD1基因后，HIV-1的RNA的穩定性增加了2～4倍。由此看來，RNase活性是SAMHD1限制HIV-1必要的功能之一［20]。

之前的研究發現SAMHD1作為HIV-1限制因子，其磷酸水解酶活性具有dGTP依賴性，dGTP既能調節 SAMHD1磷酸水解酶活性，還可以作為RNase的底物［21-22]。SAMHD1具有雙重酶活性，這兩種酶活性不同時發揮作用，但都依賴于dGTP水平。結合之前的研究有學者推測，當dGTP水平低時，SAMHD1以單體或二聚體形式存在，具有RNase活性，沒有dNTPase活性，通過裂解RNA來限制HIV-1；當dNTP水平高時，SAMHD1四聚體化，具有 dNTPase活性，沒有 RNase活性，通過降解dNTP來限制HIV-1。這就可以解釋：不管是在不分裂的細胞中如樹突細胞和巨噬細胞中低水平dNTP，還是在含高水平的dNTP增殖細胞中，SAMHD1都可以發揮限制HIV-1的功能［4-5，23-24]。

3 Vpx與 SAMHD1的相互作用，通過降解SAMHD1促進病毒在細胞間傳播

研究發現，HIV-2和一些SIV編碼的Vpx蛋白，可以通過加載SAMHD1到CRL4DCAF1E3泛素連接酶上誘導SAMHD1蛋白酶體降解，通過降解SAMHD1促進HIV-1反轉錄產物cDNA的積累，明顯促進人的單核細胞、及其來源的樹突細胞和巨噬細胞的HIV-1的感染［5，18，25]。在其他 SAMHD1限制感染的細胞，如星形膠質細胞中，Vpx也能發揮降解SAMHD1功能，促進這些細胞的感染［26-27]。

Vpx降解SAMHD1作用還影響到病毒在細胞間的傳播。早在2004年，科學家就發現HIV在細胞間的轉移可通過感染細胞與正常細胞間形成病毒突觸發生，但他們無法了解這一過程在病毒擴散中所處的地位［28]。包括HIV-1病毒通過粘膜表面進入機體后，傳播到淋巴組織，造成免疫系統的全身性感染，這種病毒早期傳播的機制也不是十分清楚。新的研究顯示，HIV可通過在細胞間直接轉移來規避識別。經由病毒突觸形成的T細胞-T細胞間直接轉移，是HIV病毒感染的一個高效途徑，甚至也許是最主要的傳播模式［29-30]。在粘膜途徑感染過程中，HIV-1病毒從被感染的巨噬細胞和樹突細胞傳播到T細胞也都被證明是可以通過病毒突觸完成的［30-31]。這也許能解釋為什么游離的HIV-1病毒很難感染樹突狀細胞，但當感染的淋巴細胞與MDDCs混合培養后，2～3 d就能檢測到HIV-1病毒的gag蛋白的表達。如果非復制SIV-Vpx或siSAMHD1處理細胞后，MDDC感染后的病毒產物表達量更是明顯上升［32]。可見，病毒學突觸在病毒細胞間傳播過程中發揮重要作用，Vpx通過降解SAMHD1促進了病毒通過這種途徑的傳播。

綜上所述，在Vpx存在的情況下，無論是游離病毒還是通過細胞間病毒突觸的傳播，HIV-1都能在MDDC內有效復制?？梢奌IV-1不能有效感染MDDC是由于病毒缺少Vpx樣粒子。然而這卻不能解釋自身攜帶Vpx蛋白的HIV-2為什么不能感染MDDC細胞。研究發現，HIV-2病毒感染MDDC，引起細胞內SAMHD1基因的下調，卻沒有病毒感染的發生，感染的限制應該是發生在病毒進入階段，即HIV-2病毒在進入細胞時存在缺陷，阻止了病毒與胞膜融合以及SAMHD1限制性反轉錄的發生。因此即使在Vpx存在的情況下，病毒DNA也不能有效合成［33]。對于此種現象，研究認為，在HIV病毒感染過程中，DC的主要作用是進行抗原提呈，激發B和T淋巴細胞介導的抗病毒免疫反應，而不是自身的復制性感染，DC細胞通過體內高水平的SAMHD1來實現這一目的［34]。一旦DC細胞出現可復制性感染，會引發機體產生強烈的 I型 IFN應答反應［35]。HIV病毒為了避免機體的這種免疫反應，在進化過程中也會做出相應的改變，HIV-1病毒Vpx蛋白的丟失和HIV-2病毒進入缺陷看來都是這種改變的結果［33]。

4 結束語

作為天然免疫蛋白，SAMHD1在免疫系統中發揮著重要作用，在限制HIV-1的感染、復制、細胞間傳播以及促進病毒基因重組中起到重要作用。深入研究其機制，將有可能為抗艾滋病藥物的研究提供新的線索和思路。

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The updated research progress of SAMHD1 on the restriction of HIV/SIV replication

PENG Ling-juan，CONG Zhe，WEIQiang
（Comparative Medicine Center，Peking Union College（PUMC）＆Institute of Medical Laboratory Animal Science，Chinese Academy of Medical Sciences（CAMS）；Key Laboratory of Human Dieases Comparative Medicine，Ministry of Health；Key Laboratory of Human Diseases Animal Models，State administration of Traditional Chinesemedicine，Beijing 100021，China）

The host protein SAMHD1 has been identified as the first mammalian deoxynucleoside triphosphate triphosphohydrolase（dNTPase），which blocks the infection of HIV-1 in non-cycling immune cells.SAMHD1 protein is highly expressed in human myeloid-lineage cells and resting CD4+T lymphocytes，which restricts HIV-1 replication by hydrolyzing the cellular dNTPs，thus inhibiting reverse transcription and viral complementary DNA（cDNA）synthesis.Recent studies have revealed that SAMHD1 plays an important role in virus whole life by promoting HIV-1 genome recombination，degenerating viral genome RNA and restricting virus transmission between cells.In this review，these progress on SAMHD1 research are summarized and themechanisms by which SAMHD1 mediates retroviral restriction are analyzed.

SAMHD1；HIV-1；Vpx

R-332

A

1671-7856（2015﹞10-0071-04

10.3969.j.issn.1671.7856.2015.010.017

國家十二五科技重大專項課題（2013ZX10004608-003和2012ZX10004501-001）。

彭靈娟，女，碩士生，從事實驗動物病毒學研究工作。

魏強，教授，博士生導師，研究方向：實驗動物病毒學。E-mail：weiqiang0430@sohu.com。

﹞2015-08-18

教育與科普