點評 | 葉麗林（陸軍軍醫大學全軍免疫學研究所）、鄧凱（中山大學中山醫學院）

責編 | 酶美

獲得性免疫系統是人體抵禦病毒感染最重要的武器，T細胞和B細胞可以透過特異性識別病毒的多肽表位來清除或者阻斷病毒感染。對於大多數病毒感染而言，廣譜的免疫識別可以有效地對抗病毒在複製過程中進化出的突變。然而，人類獲得性免疫缺陷病毒 （HIV）在宿主體內極易突變，使其可持續性感染而不被免疫系統清除，最終引發免疫缺陷綜合症（艾滋病，AIDS）。幾十年來，艾滋病研究者在不斷的尋找針對病毒高度保守區的殺傷性T細胞和廣譜性中和抗體，以對抗多變的病毒。然而，基於氨基酸序列的保守只是相對的保守，HIV依然可以在不影響其感染性的前提下逃逸靶向蛋白保守區的殺傷性T細胞和廣譜性中和抗體。HIV複製依賴於自身編碼的三個重要的酶：逆轉錄酶（reverse transcriptase）、整合酶（integrase）和蛋白水解酶（protease）。不同亞型的HIV可以在蛋白序列上不斷進化，但在核心酶活功能上卻必須絕對保守，否則病毒將失去感染力。那麼，我們人體的免疫系統是否能夠識別HIV關鍵蛋白的酶活功能，從而實現一種病毒無法逃逸的免疫清除策略呢？

2021年2月4日線上的一篇Science論文（Article）中，來自聖路易斯華盛頓大學（WUSTL）的單梁課題組報道了他們近期的發現：CARD8 is an inflammasome sensor for HIV-1 protease activity，報道了人體CARD8 蛋白可以識別HIV蛋白水解酶的活性並形成炎症小體（inflammasome）。CARD8炎症小體的活化會迅速啟用Caspase-1以及下游的細胞焦亡（pyroptosis）途徑來清除 HIV感染的原代CD4+ T細胞和巨噬細胞。這項研究首次報道了人體免疫系統可以識別HIV編碼的酶活功能，也首次報道了CARD8可作為病原模式識別受體（PRR）的功能，具有重要的科學意義。

在該研究中，單梁團隊的博士後研究員汪乾坤首先把所有的HIV蛋白轉染到表達Caspase-1和pro-IL-1β的HEK293T 細胞中。在嘗試引入各種炎症小體識別受體之前，意想不到的結果發生了：表達 HIV蛋白的HEK293T細胞天然激活了Caspase-1並造成IL-1β的切割。有意思的是，炎症小體的啟用可以被HIV蛋白水解酶抑制劑完全阻斷，提示某個細胞成分可以識別 HIV蛋白水解酶的活性，而不是蛋白水解酶本身。由於目前已知的炎症小體識別受體在HEK293T細胞內表達水平非常低或者不表達，這個識別過程很可能是由某個未知的宿主蛋白完成的。進一步的研究發現，CARD8敲除的HEK293T細胞不再能夠識別HIV蛋白水解酶的活性。透過一系列生化實驗證明，HIV蛋白水解酶能夠切割CARD8蛋白N端，導致CARD8蛋白被泛素化-蛋白酶體途徑降解，進一步釋放了有活性的C端UPA-CARD區域，從而啟用炎症小體組裝引致細胞焦亡。在此過程中，作為細胞感受器的CARD8識別的是HIV絕對保守且複製必需的蛋白水解酶功能，病毒無法就此產生逃逸。該研究的實驗也進一步證實，CARD8可以識別臨床分離的所有HIV亞型並導致感染細胞焦亡。

在HIV自然感染的細胞中，病毒蛋白水解酶嵌於Gag-Pol前體蛋白中而沒有活性，只有在病毒顆粒出芽釋放時才被啟用，因此被感染的細胞通常不會發生焦亡。那麼，是否自然感染條件下CARD8就完全無法識別HIV呢？該研究發現一類已經在臨床長期使用的抗HIV藥物，非核苷類逆轉錄酶抑制劑（NNRTI），可以透過促進Gag-Pol形成二聚體從而造成protease在病毒出芽之前被提前啟用，使得感染細胞焦亡。在接下來的研究中，該課題組計劃用此類藥物啟用 HIV 潛伏細胞中的CARD8炎症小體，驗證是否能達到廣譜清除病毒潛伏庫以實現艾滋病的功能性治癒的目標。

簡而言之，該研究創新性的發現CARD8是HIV誘導細胞焦亡的炎症小體感受器，CARD8透過識別HIV蛋白水解酶的活性啟用Caspase-1炎症小體，導致感染細胞焦亡。這項研究為艾滋病治療提供了全新的思路，可能是迄今為止最為廣譜的治療手段，具有重大應用前景。

示意圖：CARD8透過識別HIV蛋白水解酶啟用細胞焦亡

招聘資訊：單梁教授實驗室的研究方向包括炎症小體，NK細胞和T細胞的抗HIV功能；HIV感染和T細胞代謝互作機制；新型人源化小鼠模型中人類免疫系統對HIV感染的應答。課題組現期待1-2名有科研熱情的博後加入，一起探索HIV免疫學。

簡歷投遞（應聘者請個人簡歷等相關材料傳送至）：

專家點評

葉麗林（陸軍軍醫大學全軍免疫學研究所）

目前，聯合抗病毒療法可以高效抑制HIV病毒複製，但是不能清除病毒潛伏庫，需要終身服藥。病毒潛伏庫的存在是治癒HIV的最大障礙，清除此潛伏庫成為艾滋病治療領域的最大挑戰。病人體內不能根除的HIV主要潛伏在靜息的CD4+ T細胞內。透過免疫手段清除這些T細胞潛伏庫有兩大障礙：1） HIV潛伏庫中含有大量的逃逸宿主免疫系統的突變株；2）攜帶潛伏病毒的靜息CD4+ T細胞不響應由免疫系統啟用的細胞凋亡途徑。因此，清除HIV潛伏庫的關鍵問題是如何才能找到有效的途徑來對抗潛伏庫中各種免疫逃逸的病毒，同時也能引起不依賴於細胞凋亡通路的細胞殺傷。

聖路易斯華盛頓大學的單梁團隊在最新上線的Science研究可能為清除HIV儲存庫提供一個全新的策略。該論文的第一作者汪乾坤博士發現，病毒編碼的蛋白酶（其切割病毒gag-pol複合蛋白, 促進新組裝病毒粒子的成熟）具有切割炎症小體蛋白CARD8的能力，並促進炎症小體形成，進一步活化CASPASE-1, 最終誘導細胞焦亡。但是，在實際感染情形下，此焦亡通路被HIV逃逸，因為HIV-Protease只在病毒顆粒組裝完成，即將出芽時，才會被Gag-pol複合蛋白啟用。但是，幸運的是，他們發現，FDA批准的一類非核苷逆轉錄酶抑制劑 (NNRTI) 的HIV治療藥物，如EFV, RPV等，可以在細胞內結合Gag-pol, 並活化protease, 從而在HIV病毒出芽前，即可誘導細胞焦亡。因此，他們揭示了HIV免疫逃逸的一個關鍵分子機制。這也是迄今為止發現的為數不多的，可以誘導細胞焦亡的病毒蛋白，也豐富了先天免疫識別及細胞焦亡研究領域。

更引人注目的是，他們發現利用RPV及EFV藥物，可以在ex Vivo以細胞焦亡的方式，高效清除（93.4%）啟用的病毒潛伏庫細胞，並且在不同的變異毒株同效。下一步，可嘗試在非人靈長類動物模型進行驗證。該策略使用FDA批准的抗HIV藥物，高度特異性地只誘導潛伏庫細胞焦亡，不會在體內誘導系統性炎症，因此，為將來臨床試驗奠定了良好的基礎。病毒儲存庫相當於HIV的“後院”，焦亡則被認為是像“火”一樣的死亡方式，期待該發現為火燒HIV後院，根治HIV感染，提供新的路線圖。

專家點評

鄧凱（中山大學中山醫學院）

在新型冠狀病毒仍然肆虐的當下，大家都很關注病毒變異的問題。事實上，新冠病毒的變異率並不高，自然世界中已知突變能力最強的病毒非HIV莫屬。HIV依賴其自身編碼的RNA逆轉錄酶進行基因組複製，這種酶由於沒有轉錄後的校讀糾錯功能（proofreading），導致HIV複製時極易引入新的突變。HIV僅在單一感染者體內所形成的序列多樣性可以與流感病毒在全球範圍傳播一整年所形成的多樣性相當。HIV這種高度變異的特徵可幫助其逃逸殺傷性T細胞和中和抗體的識別，從而在與人體免疫系統的持續對抗中始終佔據上風。即使是近年來發現的具有廣泛識別能力的廣譜中和抗體（在體外實驗可中和超過98%的全球臨床分離株），在臨床單藥試驗中也可被HIV在2-3周內突變逃逸。長期以來，克服HIV變異是全球艾滋病研究者面臨的重大挑戰，也是HIV疫苗研發亟需解決的難點和痛點問題。

聖路易斯華盛頓大學單梁教授課題組在最新發表的Science文章中提供了一個全新的靶向HIV的思路。HIV蛋白酶是病毒複製所必需的關鍵蛋白，它負責在病毒從感染細胞出芽釋放後切割結構蛋白前體為有功能的蛋白，此後病毒才最終獲得感染能力。該研究的第一作者汪乾坤博士發現，一類常用的抗HIV藥物（非核苷類逆轉錄酶抑制劑，NNRTI）可在病毒出芽前的胞內階段提前啟用蛋白酶的活性，並使其特異性地切割宿主CARD8蛋白，進一步引發由Caspase-1炎症小體介導的細胞焦亡。這是首次發現HIV的蛋白酶活可被宿主細胞的感受器識別並引起細胞焦亡通路的活化，更重要的是，這意味著HIV將無法透過突變來逃避CARD8的識別，因為其酶活一旦失效，病毒也將失去感染性。因此，利用NNRTI或篩選獲得更好的靶向啟用HIV蛋白酶的小分子化合物，將是極具前景的廣譜清除HIV感染細胞的新策略。結合逆轉HIV潛伏的手段，該策略將有望削減患者體內病毒儲存庫的規模，對推動艾滋病功能性治癒的實現具有重大意義。

原文連結：

https://doi.org/10.1126/science.abe1707

製版人：十一