自1983年首次發現人類免疫缺陷病毒 (HIV) 是以來, 盡管對HIV致病機制的研究已經得到了很大的發展, 但是目前仍無有效的疫苗以及治愈的手段應用于預防和治療艾滋病。HIV分為HIV-1和HIV-2兩型, 其中HIV-1是引起全世界流行的主要病原體。HIV-1進入人體靶細胞的主要機制是:病毒包膜糖蛋白gp120與靶細胞膜表面分子CD4結合后, 通過分子間的相互作用從而使gp120表面的輔助受體結合位點得以暴露, gp120與輔助受體CXCR4或CCR5進一步相互作用使gp120發生構象重排, 使gp41得以插入細胞膜導致HIV包膜與靶細胞膜融合從而使病毒進入細胞, 因此, gp120在感染宿主細胞過程中發揮著關鍵的作用[1]。
1 env基因及其編碼的相關分子
HI V-1屬反轉錄病毒, 基因組長約9.2~9.7 k b, 雙股正鏈RNA, 含3個結構基因和6個調節基因, 5’端和3’端各有一長末端重復序列 (LTRS) , 其中編碼gp120的env基因為結構基因。在病毒復制周期, env基因編碼產生的gp160在高爾基體發生糖基化, 在宿主蛋白酶的作用下被切割成gp120和gp41;gp120通常由糖分子覆蓋位于病毒包膜或宿主細胞的細胞膜上, 并與跨膜蛋白gp41緊密相連[2]。HIV-1env基因的變異極為頻繁, 突變率達到1‰, 因而導致了包膜蛋白氨基酸組成的變異, 其中大部分變異位點在gp120, 這對機體免疫應答有效產生以及HIV-1疫苗的研究帶來了困難。
2 gp120分子結構
gp120分子從蛋白質肽鏈的N端到C端可依次分為T細胞向性主要決定簇、單核細胞向性主要決定簇、V3環、CD4結合區、gp120與gp41切割區、融合區以及跨膜區。gp120上有2個具有強保守序列的結構域, 發揮著覆蓋和隱藏宿主細胞表面CD4和CCR5/CXCR4等受體的結合位點的作用;同時, gp120的羧基端還有3個具有一定保守性但不連續的序列共同構成CD4分子的結合域, 它們之間由一段具有高突變頻率的氨基酸序列分隔, 從而使得機體免疫應答難以針對gpl20上的結合位點發揮有效的免疫清除作用;此外gp120表面存在著5個變異區 (variable region, V區) , 其中V3區是最為重要, 研究發現HIV-1的中和抗原表位存在于V3環上, V3環是囊膜蛋白的重要功能區, 同時也是HIV-1進入宿主細胞過程最重要的環節[3]。
V3環是不典型的環狀結構, 由大約35~36個氨基酸殘基構成, 兩端各有一個半胱氨酸, 彼此形成二硫鍵進行連接, 其二級結構不規則[4]。研究表明V3區含較多帶正電荷的氨基酸殘基, 而其相對應的共受體CXCR4與CCR5含有較多的帶負電荷的氨基酸殘基, V3區中N-末端的精氨酸與靠近V3區頂端的疏水氨基酸苯丙氨酸的替換會影響與CCR5的相互作用[5]。研究還表明V3區有6個氨基酸殘基在gp120與CCR5的相互作用過程中起著重要的作用, 包括位于V3環的基部的精氨酸303和丙氨酸333殘基, 和位于V3環兩側的β片層內的賴氨酸310, 異亮氨酸312, 精氨酸318和苯丙氨酸320[6~7]。
此外, gp120核心結構已經通過X射線晶體衍射技術對其與受體CD4和抗體17b的晶體復合物結構的解析得出, gp120的核心包含內部結構域和外部結構域2個主要結構域和一個所謂的“橋片層”結構, 在該晶體復合物中, gp120核心結構不包含N-和C-末端、V1/V2以及V3和V4環結構, 盡管如此, 該復合物結構表明, 來自gp120內部結構域、外部結構域和橋片層的某些結構組分均與CD4分子發生相互作用, 這些相互作用將gp120分子穩定在CD4結合 (CD4-bound) 構象狀態, 同時, 該復合物結構為分析gp120抗原位點以及HIV感染機理提供了結構基礎[8~9]。
3 gp120對免疫細胞的作用
HIV-1通過與CD4結合感染宿主細胞, 但是僅有CD4分子并不能介導HIV-1進入胞內, 需要其他受體的輔助, 其中最重要的輔助受體是趨化因子受體CXCR4和CCR5, 它們決定了HIV-1病毒株的細胞嗜性, 如HIV-1病毒株是利用CCR5侵入單核細胞/巨噬細胞嗜性的, 稱為R5嗜性, 如是通過CXCR4侵入T細胞, 稱為X4嗜性, 如既能利用CCR5又能利用CXCR4侵入細胞的病毒株則稱為R5/X4嗜性[10~11]。HIV-1進入上述細胞后, 通過一系列作用機制對人體免疫細胞產生廣泛的影響。
3.1 gp12 0對T細胞的作用
HIV-1首先通過包膜蛋白gp120特異性地識別CD4分子, 通過一個由15個氨基酸組成的結構域與其結合形成粘附分子對, 從而通過彼此間的相互作用促進病毒與細胞膜的融合[12~13]。HIV進入胞內后, 在感染的CD4+T細胞中發生增殖, 產生大量的結構蛋白, 其中就包括了gp120, 既參與組裝完整的HIV, 也可以以游離的狀態存在于CD4+T細胞內, 并通過細胞的凋亡裂解釋放入血液循環。在機體內, gp120針對gp120特異性的CTL被激活而直接殺傷CD4+T細胞;gp120可誘導CD4+T細胞發生細胞融合, 形成多核巨細胞, 導致細胞死亡;存在于細胞膜上的gp120與CD4結合后, 破壞了細胞膜的完整性與通透性, 引起T細胞的死亡;同時gp120分子的相互交聯也會導致預先活化的細胞發生凋亡。以上機理最終引起CD4+T細胞的在感染者體內的耗竭[14~16]。
3.2 gp12 0對天然免疫細胞的作用
除CD4+T細胞表達CD4分子外, 體內巨噬細胞、樹突狀細胞、腸黏膜杯狀細胞等均可少量表達CD4分子, 因此, 亦作為HIV-1感染的靶細胞。與CD4+T細胞不同的是, 巨噬細胞和樹突狀細胞對病毒的細胞病變效應抵抗力強, 因而往往作為HIV-1的病毒庫, 在一定階段會釋放HIV病毒顆粒從而引起全身播散[17~18]。
3.3 gp120對B細胞的作用
研究表明, gpl20具有超抗原特性, 可直接與BCR結合, 引起受體交聯, 誘發活化信號的傳遞從而使B細胞活化;B細胞活化后產生多種自身抗體, 可通過ADCC作用等殺傷靶細胞, 不過此階段由于B細胞功能紊亂并缺乏Th細胞輔助, 患者抗體應答能力降低[19]。gp120的變化與HIV感染者體內B細胞的活性和數目的改變亦有很大關系, HIV感染早期有高丙種球蛋白血癥和B細胞活化的增加, 并同時存在病毒特異性的Ig G、多克隆的Ig M和Ig A, 當疾病惡化后, HIV特異性的B細胞活性降低, 而多克隆的B細胞活性上升, 而且AIDS的病程進展伴有B細胞數量和質量上的異常[20]。
4 結語
目前對于gp120的基因組成與分子結構以及其作用機理的研究正逐步深入, 但其中一些詳細的機理并沒未完全明了, 尤其是在疫苗方面的研究目前仍止步不前?？梢钥隙ǖ氖莋p120作為一種重要的外膜蛋白, 在HIV的感染與發病過程中發揮著重要的作用, 研究者們目前寄希望于在揭示的gp120結構和功能基礎上, 針對gp120加強對疫苗的研究力度, 同時也針對AIDS的發病機制研究更先進的藥物, 期待可以最終戰勝這種頑固的世紀性疾病。
摘要：HIV-1是引起艾滋病流行的主要病原體, 本文就gp120的基因及分子結構進行了闡述, 分析了gp120與宿主細胞相關分子的相互作用和gp120對T細胞、單核/巨噬細胞、B細胞的作用原理。
關鍵詞：HIV-1,gp120,分子結構,免疫應答
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