鄭永唐/吳東東團(tuán)隊(duì)基于基因組和HIV-1感染轉(zhuǎn)錄組研究北平頂猴HIV-1持續(xù)性感染的免疫調(diào)控機(jī)制
2023.05.10缺乏直接感染HIV-1的動(dòng)物模型是制約艾滋病研究的關(guān)鍵瓶頸之一。平頂猴是目前報(bào)道唯一可感染HIV-1的舊大陸猴，國(guó)內(nèi)分布的平頂猴物種為北平頂猴。在前期研究中，鄭永唐研究員課題組在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)平頂猴宿主限制因子TRIM5ɑ與CypA發(fā)生融合，TRIMCyp蛋白喪失了限制HIV-1復(fù)制的功能，從而闡明了平頂猴易感HIV-1的分子機(jī)制(Liao CH et al, 2007, AIDS; Kuang YQ et al, 2009, Retrovirology)。首次了建立HIV-1感染北平頂猴(Macaca leonina)艾滋病動(dòng)物模型，發(fā)現(xiàn)HIV-1在北平頂猴體內(nèi)呈現(xiàn)持續(xù)性低水平復(fù)制(Pang W et al, Sci Bull, 2017)，宿主限制因子APOBEC3也誘導(dǎo)了HIV-1病毒的超突變(Pang W et al, Front Immunol, 2018)，北平頂猴APOBEC3G異常剪切降低了其對(duì)HIV-1基因組編輯壓力(Zhang XL et al, J Virol, 2020)。轉(zhuǎn)錄因子ZNF683和干擾素IFN-α/γ可能是抑制HIV在北平頂猴體內(nèi)復(fù)制及延緩發(fā)病的重要因素(Lu Y et al, Viruses, 2022; He WQ et al, Microbes Infect, 2022)。從stHIV-1sv感染137周的北平頂猴體內(nèi)分離出一株HIV-1 VpuG53D適應(yīng)性突變體，發(fā)現(xiàn)該突變株體外感染性遠(yuǎn)強(qiáng)于原始株和其它時(shí)間點(diǎn)分離的病毒，VpuG53D獲得了更強(qiáng)拮抗北平頂猴限制因子Tetherin的能力并顯著增強(qiáng)了HIV-1子代病毒的釋放(Lu Y et al, J Virol, 2023)。比較SIV感染北平頂猴和獼猴的病毒-免疫特征及病程進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)北平頂猴感染病毒后腸道完整性明顯維持的更好，微生物易位水平更低，免疫活化水平低，SIV感染北平頂猴能維持更好的CD4+ T細(xì)胞穩(wěn)態(tài)及減緩的疾病進(jìn)展(Zhang et al, Eur J Immunol, 2018; Zhang et al, Zool Res, 2019)。相對(duì)SIV感染獼猴而言，HIV-1感染北平頂猴也表現(xiàn)出更低的免疫活化水平和更低的炎癥反應(yīng)。
為構(gòu)建可直接感染HIV-1并發(fā)展為艾滋病的合適非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型，鄭永唐課題組和吳東東課題組合作，基于北平頂猴基因組和HIV-1感染后轉(zhuǎn)錄組，研究了北平頂猴HIV-1 持續(xù)性感染的免疫調(diào)控機(jī)制。
我們首次對(duì)北平頂猴基因組測(cè)序，組裝了北平頂猴的參考基因組，發(fā)現(xiàn)北平頂猴基因組全長(zhǎng)2.85*109 bp，注釋出編碼23,570個(gè)蛋白。將北平頂猴與其它13種非人靈長(zhǎng)類和人類比較，構(gòu)建了北平頂猴系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，發(fā)現(xiàn)北平頂猴與獼猴分歧時(shí)間為6.22百萬(wàn)年，與南平頂猴分歧時(shí)間為3.93百萬(wàn)年。因此，北平頂猴進(jìn)化地位可能與其獨(dú)特的免疫反應(yīng)和病毒感染特征相關(guān)。推測(cè)在各種病原體與宿主之間漫長(zhǎng)的協(xié)同進(jìn)化過(guò)程中，免疫相關(guān)基因會(huì)受到正選擇的作用，而這些正選擇的基因可能會(huì)與HIV-1感染北平頂猴后的病毒-免疫特征相關(guān)。
我們將北平頂猴編碼蛋白的所有基因與獼猴、南平頂猴、食蟹猴和非洲綠猴比較，從中選擇在北平頂猴中受到正選擇的基因，發(fā)現(xiàn)其中3個(gè)基因(TLR8、MAVS和CR2)與HIV-1復(fù)制密切相關(guān)。北平頂猴的TLR8與獼猴相比，有9個(gè)正選擇位點(diǎn)突變的氨基酸，但北平頂猴的TLR8表達(dá)并未受影響，與人和獼猴相似。功能實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)北平頂猴TLR8激活炎癥反應(yīng)的能力減弱，這可能是HIV-1感染北平頂猴后免疫活化低的原因之一。
我們對(duì)SIVmac239、HIV-1NL4-R3A、stHIV-1sv感染北平頂猴后連續(xù)時(shí)間點(diǎn)的外周血單個(gè)核細(xì)胞進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。整合基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，篩選與HIV-1復(fù)制水平低下相關(guān)的候選基因。發(fā)現(xiàn)在HIV-1感染北平頂猴后上調(diào)的基因中，有一部分干擾素誘導(dǎo)基因(ISG)在感染1-2周迅速上調(diào)，其中IFI27基因上調(diào)最顯著。北平頂猴的IFI27基因與人的同源基因相比發(fā)生大量突變。在體外過(guò)表達(dá)和敲低實(shí)驗(yàn)中，均發(fā)現(xiàn)北平頂猴IFI27可能是北平頂猴特異的HIV-1限制因子，可特異地抑制HIV-1復(fù)制，但不抑制SIV復(fù)制，這可能也是HIV-1在北平頂猴中低水平復(fù)制的機(jī)制之一。
本研究首次基于基因組學(xué)和感染轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究了北平頂猴HIV-1 持續(xù)性感染的免疫調(diào)控機(jī)制，為構(gòu)建合適的HIV-1非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。相關(guān)研究論文 “Genomic evidence for the nonpathogenic state in HIV-1-infected northern pig-tailed macaques”近日在線發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Molecular Biology and Evolution上(2023 May 3:msad101. DOI: 10.1093/molbev/msad101)。中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所鄭永唐課題組的副研究員龐偉、博士生路瑩、何文強(qiáng)和吳東東課題組的副研究員邵永，博士生莊曉琳為共同第一作者，鄭永唐研究員和吳東東研究員為共同通訊作者。該研究得到NSFC-云南聯(lián)合基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。
圖1. 基于基因組學(xué)和感染轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究了北平頂猴HIV-1 持續(xù)性感染的免疫調(diào)控機(jī)制。A）病毒感染動(dòng)物69周內(nèi)，HIV-1感染北平頂猴致病不明顯，SIV感染北平頂猴致病進(jìn)程較慢，而SIV感染獼猴致病進(jìn)程較快。B）比較基因組發(fā)現(xiàn)與HIV-1感染相關(guān)的北平頂猴基因。 C）北平頂猴TLR8激活炎癥反應(yīng)的能力減弱。D）北平頂猴IFI27特異地抑制HIV-1復(fù)制但不抑制SIV復(fù)制。
