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2025年1月17日，馬克斯·普朗克研究所Martin Beck和Gerhard Hummer以及海德堡大學(xué)Hans-Georg Krausslich團(tuán)隊(duì)的研究人員，在國(guó)際知名期刊Cell（IF：45.5）發(fā)表了題為“Passage of the HIV capsid cracks the nuclear pore”的研究性論文。該突破性的研究，揭示了HIV病毒衣殼在穿越巨噬細(xì)胞核孔復(fù)合體（nuclear pore complex,NPC）時(shí)，不僅保持了結(jié)構(gòu)的完整性，還會(huì)導(dǎo)致核孔復(fù)合體的環(huán)狀結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)觀點(diǎn)，即病毒衣殼必須在核孔外解體才能進(jìn)入細(xì)胞核。

在HIV病毒感染過程中，要感染靶細(xì)胞，HIV 病毒必須并到達(dá)細(xì)胞中心的細(xì)胞核，在那里產(chǎn)生足夠的遺傳密碼拷貝來感染其他細(xì)胞。為了安全地完成這一任務(wù)，這種病毒會(huì)構(gòu)建一層保護(hù)性蛋白外衣——衣殼（capsid），以抵御宿主為消滅它而設(shè)置的病毒自身免疫防御系統(tǒng)。在此之前，完整的衣殼究竟如何穿過嵌在核膜上的核孔進(jìn)入細(xì)胞核一直是個(gè)謎。

HIV-1感染的關(guān)鍵步驟之一是將其遺傳物質(zhì)運(yùn)輸?shù)剿拗骷?xì)胞核內(nèi)，并成功整合到宿主的基因組中。然而，宿主細(xì)胞核由雙層核膜包裹，核孔直徑僅約45至65納米，既能選擇性地運(yùn)輸必要分子，又有效阻止了大多數(shù)外來成分的進(jìn)入。核孔復(fù)合體（nuclear pore complex,NPC）選擇性地控制物質(zhì)的進(jìn)出來完成這一任務(wù)，這為HIV-1的核內(nèi)入侵構(gòu)成了一個(gè)重大的障礙。NPC是生物體內(nèi)最大的蛋白質(zhì)復(fù)合物之一，由約30種核孔蛋白 （Nups） 組成，這些蛋白共同構(gòu)成了一個(gè)動(dòng)態(tài)且高度選擇性的屏障。大多數(shù)病毒會(huì)在細(xì)胞質(zhì)中解包衣殼，暴露出遺傳物質(zhì)，并通過與核定位信號(hào) （NLS） 相互作用的小分子復(fù)合物穿越NPC。然而，HIV-1的行為卻不同：其錐形衣殼（capsid）在細(xì)胞質(zhì)中保持完整，直到進(jìn)入細(xì)胞核后才完成解包。更為困惑的是，HIV衣殼的尺寸遠(yuǎn)大于NPC的選擇性過濾閾值，這意味著其穿越機(jī)制具有獨(dú)特性。如何穿越核孔？一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

HIV-1病毒的錐形衣殼（capsid）是一個(gè)復(fù)雜而精巧的多功能分子裝置。它由200-250個(gè)病毒衣殼蛋白（CA）六聚體和12個(gè)五聚體拼接而成，呈現(xiàn)出獨(dú)特的錐形結(jié)構(gòu)。這種形狀不僅能夠緊密包裹病毒RNA基因組，為其提供物理保護(hù)，還能為病毒在細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸和核內(nèi)轉(zhuǎn)移提供重要支持。研究顯示，衣殼的寬端約為60納米，與核孔的內(nèi)徑接近，而窄端的設(shè)計(jì)使其更容易插入核孔復(fù)合體（NPC）的中心通道。這種錐形設(shè)計(jì)堪稱病毒突破宿主防御系統(tǒng)的“進(jìn)攻利器”。錐形衣殼的功能遠(yuǎn)不止是一個(gè)“防護(hù)殼”。首先，它是病毒反轉(zhuǎn)錄（reverse transcription）的主要場(chǎng)所。在衣殼內(nèi)，病毒的RNA基因組被逆轉(zhuǎn)錄為雙鏈DNA，從而為后續(xù)的基因組整合做好準(zhǔn)備。同時(shí)，衣殼的存在還可以屏蔽宿主細(xì)胞內(nèi)的DNA感受器，避免病毒在細(xì)胞質(zhì)中被識(shí)別和清除。其次，衣殼與宿主細(xì)胞的微管馬達(dá)蛋白相互作用，使病毒能夠精準(zhǔn)地被輸送至核孔位置。更重要的是，衣殼還能作為一種“分子鑰匙”，通過與核孔蛋白（FG-Nups）的特異性結(jié)合打開宿主細(xì)胞的核內(nèi)屏障。HIV-1衣殼蛋白的六聚體能夠與核孔復(fù)合體中的FG-Nups特異性結(jié)合。這種結(jié)合不僅讓衣殼能夠附著在核孔上，還為其穿越核孔提供了足夠的牽引力。數(shù)據(jù)顯示，約有17%的核孔與病毒衣殼直接結(jié)合，而衣殼信號(hào)的89%分布在核孔附近。

巨噬細(xì)胞是人類免疫缺陷病毒1型（HIV-1）的主要靶點(diǎn)之一。研究人員探索HIV-1亞病毒復(fù)合物在人原代單核細(xì)胞衍生的巨噬細(xì)胞 （MDM） 中的核進(jìn)入。巨噬細(xì)胞是 HIV-1 的天然靶細(xì)胞，并且是有絲分裂后細(xì)胞。因此，病毒復(fù)制復(fù)合物必須通過完整的核包膜（nuclear envelope，NE ）進(jìn)入細(xì)胞核。為了分析這一過程，作者利用了之前描述的非感染性 HIV-1 變體 （NNHIV），該變體正常進(jìn)入允許細(xì)胞并經(jīng)歷逆轉(zhuǎn)錄和核進(jìn)入，但在整合和基因表達(dá)方面存在缺陷。

HIV-1衣殼在巨噬細(xì)胞（MDM）核孔復(fù)合體（NPC）處的積累

(A) 巨噬細(xì)胞中HIV-1 CA信號(hào)在核膜附近的分布

研究通過感染巨噬細(xì)胞樣本（MDMs）并在感染后24小時(shí)和48小時(shí)進(jìn)行標(biāo)記觀察，展示了HIV-1衣殼蛋白（CA，綠色信號(hào)）與核膜（由lamin A/C標(biāo)記，洋紅色信號(hào)）的相對(duì)定位。在共聚焦顯微鏡的z切片圖中，可以清晰觀察到HIV-1 CA信號(hào)在細(xì)胞核膜（NE）處顯著積累。被lamin A/C信號(hào)定義的核膜區(qū)域顯示出明顯的CA信號(hào)聚集，尤其是在48小時(shí)后更為顯著。局部放大的圖像（標(biāo)記為白色箭頭）揭示了CA信號(hào)精確分布在核膜的定義邊界處，這表明病毒衣殼與核孔復(fù)合體的關(guān)聯(lián)。

(B 和 C) 定量分析CA信號(hào)的分布

(B) CA信號(hào)與核膜（lamin A/C）的共定位：圖表顯示，與lamin A/C染色共定位的CA信號(hào)數(shù)量在感染后不同時(shí)期的變化。結(jié)果表明，感染時(shí)間延長(zhǎng)后，越來越多的CA信號(hào)與核膜區(qū)域共定位，這進(jìn)一步驗(yàn)證了病毒衣殼在核孔復(fù)合體附近的積累趨勢(shì)。

(C) 核內(nèi)CA信號(hào)數(shù)量：分析了核內(nèi)檢測(cè)到的CA信號(hào)數(shù)量，結(jié)果顯示感染48小時(shí)后，進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)部的CA信號(hào)顯著增加。這表明病毒衣殼不僅在核孔處積累，還能夠穿越核膜進(jìn)入細(xì)胞核。

(D) 使用3D STED成像對(duì)病毒與核孔的精確關(guān)聯(lián)進(jìn)行深入解析

采用超分辨率的3D STED顯微成像技術(shù)，研究進(jìn)一步解析了HIV-1 CA信號(hào)（洋紅色）與核孔蛋白（FG-Nups，綠色）的關(guān)聯(lián)。在整個(gè)細(xì)胞核的3D重建圖像中可以看到，CA信號(hào)直接位于由FG-Nups定義的核孔復(fù)合體區(qū)域附近或與之直接接觸。局部放大顯示，CA信號(hào)（白色箭頭）清晰地與核孔復(fù)合體標(biāo)記的結(jié)構(gòu)直接相關(guān)聯(lián)。這為病毒衣殼與核孔的物理交互提供了更直觀的證據(jù)。

通過冷凍電鏡和分子模擬，研究人員觀察到病毒衣殼（capsid）在穿越核孔時(shí)會(huì)導(dǎo)致NPC的環(huán)狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“裂縫”。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在NPC的內(nèi)環(huán)區(qū)域（inner ring, IR），也就是核孔的最狹窄部分，也是病毒通過時(shí)需要克服的關(guān)鍵物理障礙。數(shù)據(jù)顯示，約有一半的核孔在與病毒衣殼結(jié)合后出現(xiàn)了擴(kuò)張，甚至裂解現(xiàn)象。這種“裂縫”表現(xiàn)為核孔的環(huán)狀亞單位出現(xiàn)不對(duì)稱排列，原本具有8重對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)被破壞。通過分子模擬，研究還發(fā)現(xiàn)裂解的區(qū)域通常集中在衣殼接觸和推進(jìn)的位置，這表明裂縫的產(chǎn)生與衣殼的機(jī)械作用力密切相關(guān)。令人驚訝的是，盡管核孔結(jié)構(gòu)受損，宿主細(xì)胞的整體功能并未因此受到嚴(yán)重影響。HIV-1感染的巨噬細(xì)胞能夠長(zhǎng)期存活，并未表現(xiàn)出明顯的核膜破裂或核孔完全喪失功能的現(xiàn)象。這表明，病毒可能在長(zhǎng)期進(jìn)化中找到了一種“恰到好處”的機(jī)制，既能成功突破核孔屏障，又能避免對(duì)宿主細(xì)胞造成過度損傷。對(duì)病毒而言，這種策略不僅提高了感染的成功率，還能為其在宿主內(nèi)的長(zhǎng)期潛伏創(chuàng)造條件。即雙方互相斗爭(zhēng)后最小妥協(xié)代價(jià)。

原始文獻(xiàn)

Kreysing, Jan Philipp et al.,Passage of the HIV capsid cracks the nuclear pore, Cell (2025). 

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01421-1