HIV-1 Tat蛋白對(duì)血腦屏障的作用及其分子機(jī)制

鄭文慧 趙麗

250012濟(jì)南，山東大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生微生物檢驗(yàn)學(xué)系

HIV-1 Tat是HIV-1 tat基因編碼的重要調(diào)控蛋白，可參與病毒的轉(zhuǎn)錄與激活，促進(jìn)病毒在細(xì)胞內(nèi)的復(fù)制；同時(shí)Tat蛋白還可以借助被HIV-1感染的T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等多種細(xì)胞分泌、釋放到細(xì)胞外，借助自身的穿膜功能，到達(dá)機(jī)體多個(gè)部位。研究表明，大部分HIV-1感染者后期，尤其是發(fā)展成為艾滋病腦病和艾滋病腦炎的患者，BBB都有不同程度的結(jié)構(gòu)損傷和功能減退。而且也有研究表明，甲基苯丙胺（Methamphetamine，METH）等化學(xué)物質(zhì)能夠協(xié)同Tat蛋白損傷BBB。本文將圍繞近年來(lái)HIV-1 Tat蛋白對(duì)BBB的損傷作用及其機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 Tat蛋白的結(jié)構(gòu)及功能

Tat蛋白作為HIV-1的反式轉(zhuǎn)錄激活因子，由調(diào)控基因tat的兩個(gè)獨(dú)立外顯子編碼，第1-72位氨基酸是由第一外顯子編碼形成，具有完全的逆轉(zhuǎn)錄激活活性，而第二外顯子則編碼Tat蛋白的C末端區(qū)域，與轉(zhuǎn)錄活性無(wú)關(guān)。Tat蛋白可劃分為以下功能區(qū)［1-4］：①N末端激活區(qū)：該區(qū)與免疫抑制活性相關(guān)；②半胱氨酸富集區(qū)：該區(qū)有7個(gè)高度保守的半胱氨酸，與反式激活轉(zhuǎn)錄過(guò)程密切相關(guān)；③核心區(qū)：該區(qū)氨基酸高度保守，目前該區(qū)的功能尚不明確；④堿性氨基酸富集區(qū)：可以識(shí)別反式激活應(yīng)答元件TAR，促進(jìn)病毒基因組的轉(zhuǎn)錄，還在Tat蛋白的核定位、細(xì)胞外Tat蛋白進(jìn)入旁觀者細(xì)胞（Bystander Cells）以及穿越BBB等過(guò)程中發(fā)揮重要作用；⑤谷氨酰胺富集區(qū)：該區(qū)序列變異率高，與免疫抑制有關(guān)；⑥C-末端區(qū)：該區(qū)控制Tat蛋白的穩(wěn)定性［5］。

2 Tat蛋白對(duì)BBB的作用及其機(jī)制

BBB是由內(nèi)皮細(xì)胞及其緊密連接、基膜、周細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元、小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞等多種細(xì)胞和結(jié)構(gòu)組成，形成一個(gè)調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境的屏障，維持腦內(nèi)各種離子、遞質(zhì)等的動(dòng)態(tài)平衡［6-7］。生理?xiàng)l件下，病原體和大親水分子無(wú)法通過(guò)BBB，只允許小疏水性分子通過(guò)，如，CO［8］。2這與構(gòu)成BBB的細(xì)胞和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞之間形成的緊密連接可以控制細(xì)胞旁路的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)；周細(xì)胞參與血管形成以及血管完整性的調(diào)控；受到病原體刺激的小膠質(zhì)細(xì)胞可以產(chǎn)生細(xì)胞因子并清除病原體。病理?xiàng)l件下，血液循環(huán)中的病原體可以通過(guò)直接感染腦血管內(nèi)皮細(xì)胞、破壞內(nèi)皮細(xì)胞緊密連接及“特洛伊木馬”等方式穿越BBB，損傷BBB。HIV-1感染細(xì)胞后，在細(xì)胞內(nèi)增殖，合成病毒蛋白，包括Tat蛋白。Tat蛋白可以釋放到細(xì)胞外，存在于外周血；也可借助自身含有的跨膜結(jié)構(gòu)域幫助其跨越 BBB［9］，進(jìn)入腦脊液，所以在 HIV-1患者的腦脊液和血清中均能檢測(cè)到Tat蛋白［10］。Tat對(duì)BBB的作用方式主要有兩種：①通過(guò)損傷細(xì)胞器、上調(diào)促凋亡蛋白表達(dá)、參與炎癥反應(yīng)和誘導(dǎo)氧化應(yīng)激等途徑，損傷BBB相關(guān)細(xì)胞，調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的表達(dá)，進(jìn)而損傷BBB的結(jié)構(gòu)與功能；②增加BBB相關(guān)細(xì)胞的遷移，如周細(xì)胞，降低其在內(nèi)皮的覆蓋率，破壞BBB的完整性。

2.1 HIV-1 Tat蛋白對(duì)BBB相關(guān)細(xì)胞的作用及其機(jī)制

2.1.1 對(duì)人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞（human brain microvascular endothelial cell，HBMEC）及緊密連接蛋白的作用及其機(jī)制：HIV-1 Tat蛋白可引起HBMEC中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)和線粒體功能異常，引起HBMEC損傷。Tat蛋白可以上調(diào)促凋亡蛋白CHOP和Bax的表達(dá)，使得HBMEC凋亡［11］。Tat蛋白可使HBMEC之間緊密連接蛋白磷酸化，破壞連接復(fù)合物從而增強(qiáng) HBMEC 通透性［12］。

緊密連接蛋白主要是由跨膜蛋白、胞質(zhì)附著蛋白和細(xì)胞骨架蛋白3種組成。其中跨膜蛋白包括咬合蛋白（Occludin）、閉合蛋白（Claudin）和連接粘附分子（junctional adhesive molecule，JAM）；胞質(zhì)附著蛋白包括閉合小環(huán)蛋白ZO-1、ZO-2和ZO-3［13］。Tat蛋白可以降低緊密連接蛋白的表達(dá)，從而破壞BBB的完整性，增加其通透性。Jiang等［14］的研究表明，Tat蛋白可降低ZO-1 mRNA水平及蛋白的表達(dá)，同時(shí)也使 β 淀粉樣蛋白（Amyloid-beta，Aβ）降解酶——腦內(nèi)啡肽（neprilysin，NEP）的表達(dá)量降低，而Ras信號(hào)通路抑制劑法尼基硫代水楊酸（farnesylthiosalicylic acid，F(xiàn)TS）可使 Tat的上述作用減弱，從而在維持BBB完整性和降低Aβ積聚過(guò)程中發(fā)揮一定作用。Tat蛋白可降低occludin mRNA水平和蛋白的表達(dá)［15-16］，同時(shí)可誘導(dǎo)金屬蛋白酶-9（Metal Matrix Proteinase-9，MMP-9）的表達(dá)，損傷BBB 的的完整性［15］。

2.1.2 對(duì)周細(xì)胞的作用及其機(jī)制：中樞脈管系統(tǒng)的周細(xì)胞覆蓋率顯著高于外周血管，周細(xì)胞在調(diào)節(jié)毛細(xì)血管直徑、控制腦血流量和調(diào)控細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的分泌等過(guò)程中發(fā)揮重要作用［17］。神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸酯可以促進(jìn)前列腺素E2和一氧化氮等的釋放調(diào)控周細(xì)胞，從而擴(kuò)張毛細(xì)血管［18］。目前，Tat蛋白對(duì)周細(xì)胞的損傷作用及其機(jī)制研究較少，Niu Fang等研究表明，Tat蛋白可使人腦微血管周細(xì)胞和小鼠胚胎干細(xì)胞C3H／10T1／2的血小板衍生生長(zhǎng)因子B亞基同源二聚體（platelet-derived growth factor subunit B homodimer，PDGF-BB）表達(dá)量增加，從而激活PDGF-BB／PDGFβ受體信號(hào)通路，使周細(xì)胞遷移增加［19］。周細(xì)胞在內(nèi)皮覆蓋率的降低使BBB的完整性受到破壞［20］。

2.1.3 對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的作用及其機(jī)制：星形膠質(zhì)細(xì)胞可通過(guò)調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)和離子濃度、突觸間傳遞和免疫反應(yīng)，保護(hù)神經(jīng)元［21］，分泌的許多效應(yīng)分子可維持、加強(qiáng)BBB的穩(wěn)固性［7］。Tat蛋白可刺激星形膠質(zhì)細(xì)胞生成促炎癥介質(zhì)，參與炎癥反應(yīng)，損傷星形膠質(zhì)細(xì)胞，進(jìn)而損傷BBB的結(jié)構(gòu)與功能。組蛋白脫乙?；?6（histone deacetylase 6，HDAC6）參與HIV-1 Tat蛋白誘導(dǎo)活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生，是通過(guò)調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Nox2型NADPH氧化酶的表達(dá)和活性來(lái)實(shí)現(xiàn)的［22］，而Nox2型NADPH氧化酶也參與HIV-1 Tat蛋白誘導(dǎo)ROS生成過(guò)程［23］，從而刺激星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生促炎癥介質(zhì)，包括細(xì)胞因子，趨化因子和粘附分子［22］。Tat蛋白可通過(guò)激活JAK／PI3K／Akt和p38 MAPK信號(hào)通路等途徑增加星形膠質(zhì)細(xì)胞中CCL5的表達(dá)量，CCL5在峰濃度2～4 ng／ml范圍時(shí)會(huì)導(dǎo)致促炎癥反應(yīng)［24］。Tat蛋白誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)IL-6和IL-8在mRNA和蛋白水平均呈現(xiàn)時(shí)間依賴性，激活各種轉(zhuǎn)錄因子如NF-κB和AP-1可促進(jìn)Tat蛋白誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá) IL-6和 IL-8，參與許多炎癥反應(yīng)［25］，進(jìn)而損傷星形膠質(zhì)細(xì)胞和BBB。

2.2 HIV-1 Tat蛋白與其他化學(xué)物質(zhì)協(xié)同損傷BBB 甲基苯丙胺（Methamphetamine，METH）等化學(xué)物質(zhì)可以通過(guò)氧化應(yīng)激反應(yīng)、調(diào)控緊密連接蛋白的表達(dá)與功能等途徑，協(xié)同HIV-1Tat蛋損傷BBB。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，METH等化學(xué)物質(zhì)會(huì)對(duì)腦神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用［26］，而且會(huì)增加HIV-1感染者出現(xiàn)HIV-1相關(guān)神經(jīng)認(rèn)知障礙（HIV-1 associated neurocognitive disorder，HAND）的風(fēng)險(xiǎn)。HIV-1感染者中也存在METH等化學(xué)物質(zhì)的濫用。

METH和Tat蛋白通過(guò)降低抗氧化劑谷胱甘肽（glutathione，GSH）和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（glutathione peroxidase，GPx）在腦內(nèi)的含量，協(xié)同誘導(dǎo)氧化應(yīng)激［27］。METH也可激活HIV長(zhǎng)末端重復(fù)序列（long terminal repeats，LTR），促進(jìn) Tat蛋白的表達(dá)［28］。 Patel等［29］發(fā)現(xiàn)，METH 和 Tat可影響跨細(xì)胞運(yùn)輸，改變BBB的完整性，而不是通過(guò)影響細(xì)胞旁路復(fù)合物的流出改變BBB的完整性。Dalvi等［30］研究表明，HIV-1 Tat蛋白和可卡因可以通過(guò)激活Ras／Raf／ERK1／2信號(hào)通路使人肺血管內(nèi)皮細(xì)胞氧化應(yīng)激增加，細(xì)胞內(nèi)ROS增加，從而破壞緊密連接蛋白，阻礙肺內(nèi)皮正常功能和肺血管重建。Raborn等［31］的研究提出，HIV-1 Tat蛋白促進(jìn)人U937細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）蛋白質(zhì)的粘附，而大麻類可以激活2型大麻素受體（CB2R）后可以抑制這種粘附作用。因?yàn)檎掣竭^(guò)程作為環(huán)境條件會(huì)引發(fā)一系列細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)，包括細(xì)胞骨架重新定位、基因表達(dá)差異和細(xì)胞遷移增加。

3 小結(jié)及展望

HIV-1 Tat蛋白在病毒感染早期便會(huì)產(chǎn)生，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)通路、損傷BBB相關(guān)細(xì)胞以及調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的表達(dá)等途徑損傷BBB的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響B(tài)BB發(fā)揮正常功能。許多化學(xué)物質(zhì)可通過(guò)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激、調(diào)節(jié)跨細(xì)胞運(yùn)輸和激活信號(hào)通路等途徑協(xié)同Tat蛋白損傷BBB。目前，Tat蛋白損傷BBB以及其他化學(xué)物質(zhì)協(xié)同損傷作用機(jī)制尚不清楚，其中Tat蛋白對(duì)周細(xì)胞的作用研究相對(duì)較少。因此，對(duì)Tat蛋白損傷BBB的機(jī)制進(jìn)行全面、深入的研究對(duì)HAND的預(yù)防、治療以及控制具有重要意義。

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