自1983年首次发现人类免疫缺陷病毒 (HIV) 是以来, 尽管对HIV致病机制的研究已经得到了很大的发展, 但是目前仍无有效的疫苗以及治愈的手段应用于预防和治疗艾滋病。HIV分为HIV-1和HIV-2两型, 其中HIV-1是引起全世界流行的主要病原体。HIV-1进入人体靶细胞的主要机制是:病毒包膜糖蛋白gp120与靶细胞膜表面分子CD4结合后, 通过分子间的相互作用从而使gp120表面的辅助受体结合位点得以暴露, gp120与辅助受体CXCR4或CCR5进一步相互作用使gp120发生构象重排, 使gp41得以插入细胞膜导致HIV包膜与靶细胞膜融合从而使病毒进入细胞, 因此, gp120在感染宿主细胞过程中发挥着关键的作用[1]。
1 env基因及其编码的相关分子
HI V-1属反转录病毒, 基因组长约9.2~9.7 k b, 双股正链RNA, 含3个结构基因和6个调节基因, 5’端和3’端各有一长末端重复序列 (LTRS) , 其中编码gp120的env基因为结构基因。在病毒复制周期, env基因编码产生的gp160在高尔基体发生糖基化, 在宿主蛋白酶的作用下被切割成gp120和gp41;gp120通常由糖分子覆盖位于病毒包膜或宿主细胞的细胞膜上, 并与跨膜蛋白gp41紧密相连[2]。HIV-1env基因的变异极为频繁, 突变率达到1‰, 因而导致了包膜蛋白氨基酸组成的变异, 其中大部分变异位点在gp120, 这对机体免疫应答有效产生以及HIV-1疫苗的研究带来了困难。
2 gp120分子结构
gp120分子从蛋白质肽链的N端到C端可依次分为T细胞向性主要决定簇、单核细胞向性主要决定簇、V3环、CD4结合区、gp120与gp41切割区、融合区以及跨膜区。gp120上有2个具有强保守序列的结构域, 发挥着覆盖和隐藏宿主细胞表面CD4和CCR5/CXCR4等受体的结合位点的作用;同时, gp120的羧基端还有3个具有一定保守性但不连续的序列共同构成CD4分子的结合域, 它们之间由一段具有高突变频率的氨基酸序列分隔, 从而使得机体免疫应答难以针对gpl20上的结合位点发挥有效的免疫清除作用;此外gp120表面存在着5个变异区 (variable region, V区) , 其中V3区是最为重要, 研究发现HIV-1的中和抗原表位存在于V3环上, V3环是囊膜蛋白的重要功能区, 同时也是HIV-1进入宿主细胞过程最重要的环节[3]。
V3环是不典型的环状结构, 由大约35~36个氨基酸残基构成, 两端各有一个半胱氨酸, 彼此形成二硫键进行连接, 其二级结构不规则[4]。研究表明V3区含较多带正电荷的氨基酸残基, 而其相对应的共受体CXCR4与CCR5含有较多的带负电荷的氨基酸残基, V3区中N-末端的精氨酸与靠近V3区顶端的疏水氨基酸苯丙氨酸的替换会影响与CCR5的相互作用[5]。研究还表明V3区有6个氨基酸残基在gp120与CCR5的相互作用过程中起着重要的作用, 包括位于V3环的基部的精氨酸303和丙氨酸333残基, 和位于V3环两侧的β片层内的赖氨酸310, 异亮氨酸312, 精氨酸318和苯丙氨酸320[6~7]。
此外, gp120核心结构已经通过X射线晶体衍射技术对其与受体CD4和抗体17b的晶体复合物结构的解析得出, gp120的核心包含内部结构域和外部结构域2个主要结构域和一个所谓的“桥片层”结构, 在该晶体复合物中, gp120核心结构不包含N-和C-末端、V1/V2以及V3和V4环结构, 尽管如此, 该复合物结构表明, 来自gp120内部结构域、外部结构域和桥片层的某些结构组分均与CD4分子发生相互作用, 这些相互作用将gp120分子稳定在CD4结合 (CD4-bound) 构象状态, 同时, 该复合物结构为分析gp120抗原位点以及HIV感染机理提供了结构基础[8~9]。
3 gp120对免疫细胞的作用
HIV-1通过与CD4结合感染宿主细胞, 但是仅有CD4分子并不能介导HIV-1进入胞内, 需要其他受体的辅助, 其中最重要的辅助受体是趋化因子受体CXCR4和CCR5, 它们决定了HIV-1病毒株的细胞嗜性, 如HIV-1病毒株是利用CCR5侵入单核细胞/巨噬细胞嗜性的, 称为R5嗜性, 如是通过CXCR4侵入T细胞, 称为X4嗜性, 如既能利用CCR5又能利用CXCR4侵入细胞的病毒株则称为R5/X4嗜性[10~11]。HIV-1进入上述细胞后, 通过一系列作用机制对人体免疫细胞产生广泛的影响。
3.1 gp12 0对T细胞的作用
HIV-1首先通过包膜蛋白gp120特异性地识别CD4分子, 通过一个由15个氨基酸组成的结构域与其结合形成粘附分子对, 从而通过彼此间的相互作用促进病毒与细胞膜的融合[12~13]。HIV进入胞内后, 在感染的CD4+T细胞中发生增殖, 产生大量的结构蛋白, 其中就包括了gp120, 既参与组装完整的HIV, 也可以以游离的状态存在于CD4+T细胞内, 并通过细胞的凋亡裂解释放入血液循环。在机体内, gp120针对gp120特异性的CTL被激活而直接杀伤CD4+T细胞;gp120可诱导CD4+T细胞发生细胞融合, 形成多核巨细胞, 导致细胞死亡;存在于细胞膜上的gp120与CD4结合后, 破坏了细胞膜的完整性与通透性, 引起T细胞的死亡;同时gp120分子的相互交联也会导致预先活化的细胞发生凋亡。以上机理最终引起CD4+T细胞的在感染者体内的耗竭[14~16]。
3.2 gp12 0对天然免疫细胞的作用
除CD4+T细胞表达CD4分子外, 体内巨噬细胞、树突状细胞、肠黏膜杯状细胞等均可少量表达CD4分子, 因此, 亦作为HIV-1感染的靶细胞。与CD4+T细胞不同的是, 巨噬细胞和树突状细胞对病毒的细胞病变效应抵抗力强, 因而往往作为HIV-1的病毒库, 在一定阶段会释放HIV病毒颗粒从而引起全身播散[17~18]。
3.3 gp120对B细胞的作用
研究表明, gpl20具有超抗原特性, 可直接与BCR结合, 引起受体交联, 诱发活化信号的传递从而使B细胞活化;B细胞活化后产生多种自身抗体, 可通过ADCC作用等杀伤靶细胞, 不过此阶段由于B细胞功能紊乱并缺乏Th细胞辅助, 患者抗体应答能力降低[19]。gp120的变化与HIV感染者体内B细胞的活性和数目的改变亦有很大关系, HIV感染早期有高丙种球蛋白血症和B细胞活化的增加, 并同时存在病毒特异性的Ig G、多克隆的Ig M和Ig A, 当疾病恶化后, HIV特异性的B细胞活性降低, 而多克隆的B细胞活性上升, 而且AIDS的病程进展伴有B细胞数量和质量上的异常[20]。
4 结语
目前对于gp120的基因组成与分子结构以及其作用机理的研究正逐步深入, 但其中一些详细的机理并没未完全明了, 尤其是在疫苗方面的研究目前仍止步不前。可以肯定的是gp120作为一种重要的外膜蛋白, 在HIV的感染与发病过程中发挥着重要的作用, 研究者们目前寄希望于在揭示的gp120结构和功能基础上, 针对gp120加强对疫苗的研究力度, 同时也针对AIDS的发病机制研究更先进的药物, 期待可以最终战胜这种顽固的世纪性疾病。
摘要：HIV-1是引起艾滋病流行的主要病原体, 本文就gp120的基因及分子结构进行了阐述, 分析了gp120与宿主细胞相关分子的相互作用和gp120对T细胞、单核/巨噬细胞、B细胞的作用原理。
关键词：HIV-1,gp120,分子结构,免疫应答
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