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《科學》:深度打擊潛伏的HIV!科學家發現可識別HIV蛋白酶,啟動感染細胞程序性死亡的炎性小體,有助于徹底消滅體內病毒庫

2021-05-19

  目前,針對人免疫缺陷病毒(HIV)感染者的治療主要依靠抗反轉錄病毒療法(ART),雖然ART能有效抑制病毒復制,使感染者體內的病毒控制在無法檢測的水平,顯著延長了他們的壽命,但無法完全消除HIV,感染者的體內仍然存在病毒儲存庫[1] 

  另外,HIV具有高變異率的特點,常常能夠逃避免疫系統的追殺,這也是無法根除HIV的主要障礙。然而,潛伏的HIV可能與慢性炎癥有關,會誘發諸如心血管疾病,糖尿病和惡性腫瘤疾病等[2]。到目前為止,HIV感染沒有治愈的特效藥,患者需終身服用藥物來抑制病毒復制。因此,找到徹底消除HIV的藥物,是全世界研究者們都在努力的事。 

  近日,來自華盛頓大學醫學院Shan Liang領銜的研究團隊在《科學》雜志上發表重要研究成果。他們發現,原來人的細胞中有一個HIV-1感染的“警報器”——CARD8,它作為炎性小體感受器,可識別具有活性的HIV-1蛋白酶,啟動由其介導的程序性細胞死亡,以此來清除感染HIV-1的細胞。 

  HIV-1蛋白酶是病毒復制過程中關鍵酶之一,它的活化能使HIV-1變成具有感染性的成熟病毒,通過抑制它,可阻止病毒復制。因此,HIV-1蛋白酶是治療HIV-1感染的靶點之一。而此次研究不同于以往“阻止復制”的治療策略,而是通過提前活化細胞內的HIV-1蛋白酶,從而啟動細胞程序性死亡,直接殺死感染細胞。 

  那研究團隊是如何發現CARD8這一“報警器”呢?我們知道,在大多數情況下,機體通過細胞內受體識別不同危險的刺激信號,從而引起抗感染的級聯反應。其中, NLRP1是能形成炎癥小體的受體,其含有未知功能的FIIND結構域和CARD結構域,因涉及的信號通路與許多疾病都息息相關,是被眾多科學家研究的對象[3] 

  研究發現,小鼠中NLRP1b N端,能被炭疽芽孢桿菌致死因子蛋白切割,之后引起炎癥小體組裝和激活Caspase-1CASP1)下游信號,使細胞發生程序性死亡[4-5]。而人的CARD8與鼠的NLRP1結構相似,且CARD8具有在淋巴組織中高表達的特點,與CD4+T細胞和巨噬細胞的炎性體活化有關[6-7] 

  這表明在淋巴組織中,CARD8作為炎性小體感受器可有效發揮作用,而CD4T細胞是HIV-1感染的關鍵細胞。研究人員據此猜測,CARD8炎性小體可能是一個HIV-1感染的“警報器”,可觸發感染細胞的死亡。 

  為了驗證這一猜測,他們開展了一系列實驗。首先,他們構建了用HIV-1感染表達CARD8的人腎上皮細胞(HEK293T),發現CARD8N端被HIV-1蛋白酶切割了兩次,而在感染突變的HIV-1細胞中(HIV-1蛋白酶無活性),CARD8N端則無法被切割。研究者認為,CARD8是無法檢測沒有活性的HIV-1蛋白酶的。 

  通常情況下,被感染細胞中的HIV-1為了更好地潛伏,都會使蛋白酶不具活性,只有離開受感染的細胞后,HIV-1蛋白酶才會活化,這也就意味著HIV-1蛋白酶不僅逃過了細胞內CARD8的監測,還開始繁衍自己的后代了。那如果能在感染細胞內活化蛋白酶,就能拆穿HIV-1的詭計,靶向消滅它。 

  幸運的是,在2006年有報道稱,臨床上治療感染HIV的非核苷類反轉錄酶抑制劑(NNRTIs)藥物,如利匹韋林(RPV)和依非韋倫(EFV),可增強細胞內Gag-Pol多蛋白二聚作用,引起潛伏的HIV-1蛋白酶活化[8] 

  

  圖片來自pexels.com 

  根據這一思路,研究者用RPV處理了被HIV-1感染的含有CASP1和促IL-1β表達的質粒的HEK293T細胞,促炎因子IL-1β能正常分泌,它是引起免疫反應和細胞焦亡的關鍵分子。但加入蛋白酶抑制劑洛匹那韋 (LPV)或敲除CARD8后,這種現象被阻斷了。這些結果證明,在RPV作用下,HIV-1蛋白酶被活化后切割CARD8 N端,誘導IL-1β的分泌。 

  NNRTIs在人免疫細胞中是否也與HEK293T細胞中一樣,能夠通過激活HIV-1蛋白酶,引發CARD8警報呢?CARD8警報“響起”后,這類感染細胞又能否死亡?如果能成功的話,那就意味著人類有可能清除潛在的HIV-1 

  確實有研究發現,NNRTIs可引起存在潛伏HIV-1CD4T細胞的死亡,但是其中的機制還不清楚[9-11]。基于綜上研究,他們猜想感染細胞的死亡是由NNRTIs活化HIV-1蛋白酶引起的,并通過CARD8炎性小體感受器激活CASP1,從而發生細胞死亡。 

  因此,研究團隊用HIV-1感染人扁桃體組織中的原代CD4+ T細胞以及血液中單核細胞來源的巨噬細胞(MDMs),從不同角度證明了自己的猜測: 

  首先,用EFVRPVLPV或組合的方式處理感染的MDMs,結果顯示,HIV-1蛋白酶活化會引發細胞死亡,并且細胞殺傷效果隨時間增加而加強,而LPV能夠抑制這一現象的發生。與此同時,他們還檢測了與CASP1激活啟動細胞死亡程序的關鍵因子IL-1β、p10p20,結果顯示,RPV成功激活了CASP1介導的程序性細胞死亡。相似的結果也出現在CD4+ T細胞中。 

  

  RPV處理的細胞相比對照(DMSO),細胞中CASP1被激活的百分比更高(H),死亡的感染細胞更多(IJ),但是在敲除了CARD8CARD8 KO)或敲除了CASP1CASP1 KO)的細胞中效果顯著減弱 

  隨后,在兩類細胞中分別采用加入CASP1抑制劑、蛋白酶抑制劑以及敲除CARD8或敲除CASP1的方法,都同樣出現了抑制IL-1β分泌及減少細胞殺傷的現象,證明了其推測。 

  結合之前的結果,研究團隊將該方法用于臨床感染的病人中。他們從接受ART的八位感染者體內獲得血液CD4+ T細胞,用EFVRPV處理后,發現所有患者體內感染HIV-1的細胞都顯著減少了,并且有三名患者沒有檢測到病毒,證明了該機制清除了大部分潛在的HIV-1 

  研究團隊還證明了,在一些主要的HIV-1亞型中,該機制都可觸發感染細胞的死亡,包括北美,歐洲,非洲和亞洲常見的菌株。說明了該機制的普適性,對HIV-1的治療策略具有直接的影響。 

  

  HIV-1感染者獲取CD4+ T細胞后的處理方案(D)和結果(E),相比對照組(control),RPV組的感染細胞明顯減少,紅色為2.5μM劑量處理2天,藍色為5μM劑量處理3 

  總的來說,該機制在一定程度上解決了HIV-1因高變異率而逃過免疫系統追殺的問題。免疫系統就像一位狙擊手,在NNRTIs的幫助下,無論HIV-1突變程度如何,都可通過識別活化的HIV-1蛋白酶,而迅速擊殺。 

  該研究提示我們在治療患者初期,采用無蛋白酶抑制劑的NNRTIs,可減少HIV-1在體內的病毒庫。此外,可進一步研究NNRTIs這類藥物激活潛伏HIV-1的過程,從而開發出低劑量和快速殺傷細胞的特效藥,為艾滋病患者帶來治愈的希望。 

  未來,進一步探索CARD8炎性體能否識別其他病毒蛋白酶,也可以為其他一些病毒感染類疾病提供新的治療思路。 

  

   (來源:奇點網) 

  參考文獻: 

  [1] Kabir MA, Zilouchian H, Caputi M, Asghar W. Advances in HIV diagnosis and monitoring. Crit Rev Biotechnol. 2020;40(5):623-638. doi:10.1080/07388551.2020.1751058. 

  [2] Costiniuk CT, Jenabian MA. Cannabinoids and inflammation: implications for people living with HIV. AIDS. 2019;33(15):2273-2288. doi:10.1097/QAD.0000000000002345. 

  [3] Lamkanfi M, Dixit VM. Mechanisms and functions of inflammasomes. Cell. 2014;157(5):1013-1022. doi:10.1016/j.cell.2014.04.007 

  [4] Sandstrom A, Mitchell PS, Goers L, Mu EW, Lesser CF, Vance RE. Functional degradation: A mechanism of NLRP1 inflammasome activation by diverse pathogen enzymes. Science. 2019;364(6435):eaau1330. doi:10.1126/science.aau1330 

  [5] Chui AJ, Okondo MC, Rao SD, et al. N-terminal degradation activates the NLRP1B inflammasome. Science. 2019;364(6435):82-85. doi:10.1126/science.aau1208 

  [6] Linder A, Bauernfried S, Cheng Y, et al. CARD8 inflammasome activation triggers pyroptosis in human T cells. EMBO J. 2020;39(19):e105071. doi:10.15252/embj.2020105071 

  [7] Johnson DC, Okondo MC, Orth EL, et al. DPP8/9 inhibitors activate the CARD8 inflammasome in resting lymphocytes. Cell Death Dis. 2020;11(8):628. Published 2020 Aug 14. doi:10.1038/s41419-020-02865-4 

  [8] Figueiredo A, Moore KL, Mak J, Sluis-Cremer N, de Bethune MP, Tachedjian G. Potent nonnucleoside reverse transcriptase inhibitors target HIV-1 Gag-Pol. PLoS Pathog. 2006;2(11):e119. doi:10.1371/journal.ppat.0020119 

  [9] Jochmans D, Anders M, Keuleers I, et al. Selective killing of human immunodeficiency virus infected cells by non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor-induced activation of HIV protease. Retrovirology. 2010;7:89. Published 2010 Oct 15. doi:10.1186/1742-4690-7-89 

  [10] Zerbato JM, Tachedjian G, Sluis-Cremer N. Nonnucleoside Reverse Transcriptase Inhibitors Reduce HIV-1 Production from Latently Infected Resting CD4+ T Cells following Latency Reversal. Antimicrob Agents Chemother. 2017;61(3):e01736-16. Published 2017 Feb 23. doi:10.1128/AAC.01736-16 

  [11] Trinité B, Zhang H, Levy DN. NNRTI-induced HIV-1 protease-mediated cytotoxicity induces rapid death of CD4 T cells during productive infection and latency reversal. Retrovirology. 2019;16(1):17. Published 2019 Jun 26. doi:10.1186/s12977-019-0479-9 

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