灵长类慢病毒Vpx基因获得和丢失机制的研究

SAMHD1 is a novel HIV-1 restriction factor that was identified in 2011. It inhibits HIV-1 infection in human myeloid cells and can be counteracted by the Vpx protein of certain primate lentiviruses. HIV-2 and some SIV lineages encode the vpx gene, whereas HIV-1 does not encode a Vpx protein to overcome SAMHD1-mediated restriction. In our previous study, we found that the reason of HIV-1 not encoding the vpx gene is that it could not inherit the lost Vpx gene from its ancestor SIVcpz. Furthermore, ancient SIVs also do not encode Vpx gene, indicating an origin of Vpx gene during the evolution of SIV. Vpr has high homology with Vpx at amino acid level, implying an association with the origin of vpx gene. To investigate the mechanism of the gain and loss of vpx gene in primate lentivirus is crucial for understanding the pathogenesis and immune escape of HIV-1. In this study, genomic and phylogenic methods, as well as molecular biological methods, will be used to address this issue. The analyses include the inferring of ancestral Vpx and Vpr sequences, construction of expression vectors of Vpx, Vpr and various primate SAMHD1, co-transfection experiments, et cetera. The results obtained from this study will not only enhance the understanding of lentivirus evolution, but also provide insights into new HIV-1 therapy strategies.

SAMHD1是2011年被证明的新抗HIV-1限制因子，可被灵长类慢病毒编码的Vpx拮抗。有趣的是HIV-2及某些SIV编码Vpx基因，而HIV-1却没有进化出Vpx基因。我们前期研究证明HIV-1不编码Vpx的原因是其祖先病毒SIVcpz在感染黑猩猩中丢失了Vpx基因。古老SIV不编码Vpx，表明Vpx基因是SIV进化中获得的。慢病毒编码的Vpr在氨基酸水平与Vpx具有较高同源性，可能与Vpx起源有关。慢病毒Vpx获取和丢失的原因和机制是理解HIV-1的致病机理和免疫逃逸机制的关键。本项目围绕这个核心科学问题，利用进化基因组学及分子病毒学的手段开展研究（包括推导病毒祖先Vpx和Vpr序列、构建Vpx、Vpr及不同灵长类物种SAMHD1的表达载体，共转染实验等），以期阐述SIV获得和SIVcpz丢失Vpx基因的机制，为深入了解慢病毒进化及针对慢病毒进化特点寻找新的治疗方法提供创新性的观点。

SAMHD1是一种抗HIV-1限制因子，可被灵长类慢病毒编码的Vpx或Vpr拮抗。HIV-2及其祖先SIV编码Vpx基因，可以拮抗SAMHD1，而HIV-1及其祖先SIV（如SIVcpz）因不编码Vpx而不能拮抗SAMHD1。本研究通过分析、构建SIV/HIV祖先Vpx及各SIV/HIV 分支的Vpr，研究其诱导SAMHD1降解的功能，以理解“红色皇后”假说中慢病毒拮抗宿主限制因子的辅助基因的起源进化机制。主要研究发现包括：1）对SIV/HIV的vif-vpr片段进行进化分析，发现所有包含Vpx的SIV和HIV聚类在一起,形成单支系，并没有被不编码Vpx的SIV支系分割，表明SIV/HIV进化中只经历了一次Vpx起源。推导祖先Vpx序列并且构建表达载体进行功能实验表明，Vpx的共同祖先不能表达，而HIV-2/SIVmac及SIVrcm/SIVmnd2的最近共同祖先（MRCA）均可诱导SAMHD1降解。结合Vpr的进化关系和功能，表明Vpx可能起源自SIVrcm/SIVmnd2 MRCA Vpr的基因重复；2）构建各种SIV及HIV的Vpr表达载体，并进行功能实验发现，除了几个最古老的SIV（SIVlst和SIVmnd1）外，其他所有SIV的Vpr都具有诱导SAMHD1降解的功能，特别是古老SIVolc具有较强的广谱诱导SAMHD1降解的功能，这在之前未被报道过；3）Vpr的进化分析显示，HIV-1 M群不和SIVcpz聚类在一起，而是与古老的编码不具SAMHD1拮抗功能Vpr的SIV（SIVmnd1/lst）聚类在一起。功能实验证明HIV-1 Vpr不具有拮抗SAMHD1的功能，而SIVcpz的Vpr具有拮抗SAMHD1的功能，表明HIV-1的Vpr可能重组起源自古老的SIV，而非SIVcpz。这也说明，虽然SIVcpz不编码Vpx，但是可以通过Vpr来拮抗SAMHD1对病毒的限制作用，这在之前从未被报道；4）发现HIV-1 的Vif可以诱导SAMHD1降解，表明虽然HIV-1没有Vpx基因，但可能通过Vif来补偿拮抗SAMHD1的功能，这跟之前研究发现HIV-1 通过Vpu拮抗Tetherin，而不编码Vpu的SIV通过Nef拮抗Tetherin的限制作用相似。本研究中的第2-4发现对于深入理解慢病毒具有拮抗限制因子功能的辅助基因的起源机制具有重要的科学意义。