HIV-1 Tat蛋白对血脑屏障的作用及其分子机制

郑文慧 赵丽

250012济南，山东大学公共卫生学院卫生微生物检验学系

HIV-1 Tat是HIV-1 tat基因编码的重要调控蛋白，可参与病毒的转录与激活，促进病毒在细胞内的复制；同时Tat蛋白还可以借助被HIV-1感染的T细胞、巨噬细胞等多种细胞分泌、释放到细胞外，借助自身的穿膜功能，到达机体多个部位。研究表明，大部分HIV-1感染者后期，尤其是发展成为艾滋病脑病和艾滋病脑炎的患者，BBB都有不同程度的结构损伤和功能减退。而且也有研究表明，甲基苯丙胺（Methamphetamine，METH）等化学物质能够协同Tat蛋白损伤BBB。本文将围绕近年来HIV-1 Tat蛋白对BBB的损伤作用及其机制的研究进展进行阐述。

1 Tat蛋白的结构及功能

Tat蛋白作为HIV-1的反式转录激活因子，由调控基因tat的两个独立外显子编码，第1-72位氨基酸是由第一外显子编码形成，具有完全的逆转录激活活性，而第二外显子则编码Tat蛋白的C末端区域，与转录活性无关。Tat蛋白可划分为以下功能区［1-4］：①N末端激活区：该区与免疫抑制活性相关；②半胱氨酸富集区：该区有7个高度保守的半胱氨酸，与反式激活转录过程密切相关；③核心区：该区氨基酸高度保守，目前该区的功能尚不明确；④碱性氨基酸富集区：可以识别反式激活应答元件TAR，促进病毒基因组的转录，还在Tat蛋白的核定位、细胞外Tat蛋白进入旁观者细胞（Bystander Cells）以及穿越BBB等过程中发挥重要作用；⑤谷氨酰胺富集区：该区序列变异率高，与免疫抑制有关；⑥C-末端区：该区控制Tat蛋白的稳定性［5］。

2 Tat蛋白对BBB的作用及其机制

BBB是由内皮细胞及其紧密连接、基膜、周细胞、星形胶质细胞、神经元、小神经胶质细胞等多种细胞和结构组成，形成一个调节中枢神经系统内环境的屏障，维持脑内各种离子、递质等的动态平衡［6-7］。生理条件下，病原体和大亲水分子无法通过BBB，只允许小疏水性分子通过，如，CO［8］。2这与构成BBB的细胞和结构密切相关，如脑微血管内皮细胞之间形成的紧密连接可以控制细胞旁路的物质转运；周细胞参与血管形成以及血管完整性的调控；受到病原体刺激的小胶质细胞可以产生细胞因子并清除病原体。病理条件下，血液循环中的病原体可以通过直接感染脑血管内皮细胞、破坏内皮细胞紧密连接及“特洛伊木马”等方式穿越BBB，损伤BBB。HIV-1感染细胞后，在细胞内增殖，合成病毒蛋白，包括Tat蛋白。Tat蛋白可以释放到细胞外，存在于外周血；也可借助自身含有的跨膜结构域帮助其跨越 BBB［9］，进入脑脊液，所以在 HIV-1患者的脑脊液和血清中均能检测到Tat蛋白［10］。Tat对BBB的作用方式主要有两种：①通过损伤细胞器、上调促凋亡蛋白表达、参与炎症反应和诱导氧化应激等途径，损伤BBB相关细胞，调节紧密连接蛋白的表达，进而损伤BBB的结构与功能；②增加BBB相关细胞的迁移，如周细胞，降低其在内皮的覆盖率，破坏BBB的完整性。

2.1 HIV-1 Tat蛋白对BBB相关细胞的作用及其机制

2.1.1 对人脑微血管内皮细胞（human brain microvascular endothelial cell，HBMEC）及紧密连接蛋白的作用及其机制：HIV-1 Tat蛋白可引起HBMEC中内质网应激反应和线粒体功能异常，引起HBMEC损伤。Tat蛋白可以上调促凋亡蛋白CHOP和Bax的表达，使得HBMEC凋亡［11］。Tat蛋白可使HBMEC之间紧密连接蛋白磷酸化，破坏连接复合物从而增强 HBMEC 通透性［12］。

紧密连接蛋白主要是由跨膜蛋白、胞质附着蛋白和细胞骨架蛋白3种组成。其中跨膜蛋白包括咬合蛋白（Occludin）、闭合蛋白（Claudin）和连接粘附分子（junctional adhesive molecule，JAM）；胞质附着蛋白包括闭合小环蛋白ZO-1、ZO-2和ZO-3［13］。Tat蛋白可以降低紧密连接蛋白的表达，从而破坏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水平及蛋白的表达，同时也使 β 淀粉样蛋白（Amyloid-beta，Aβ）降解酶——脑内啡肽（neprilysin，NEP）的表达量降低，而Ras信号通路抑制剂法尼基硫代水杨酸（farnesylthiosalicylic acid，FTS）可使 Tat的上述作用减弱，从而在维持BBB完整性和降低Aβ积聚过程中发挥一定作用。Tat蛋白可降低occludin mRNA水平和蛋白的表达［15-16］，同时可诱导金属蛋白酶-9（Metal Matrix Proteinase-9，MMP-9）的表达，损伤BBB 的的完整性［15］。

2.1.2 对周细胞的作用及其机制：中枢脉管系统的周细胞覆盖率显著高于外周血管，周细胞在调节毛细血管直径、控制脑血流量和调控细胞外基质蛋白的分泌等过程中发挥重要作用［17］。神经递质谷氨酸酯可以促进前列腺素E2和一氧化氮等的释放调控周细胞，从而扩张毛细血管［18］。目前，Tat蛋白对周细胞的损伤作用及其机制研究较少，Niu Fang等研究表明，Tat蛋白可使人脑微血管周细胞和小鼠胚胎干细胞C3H／10T1／2的血小板衍生生长因子B亚基同源二聚体（platelet-derived growth factor subunit B homodimer，PDGF-BB）表达量增加，从而激活PDGF-BB／PDGFβ受体信号通路，使周细胞迁移增加［19］。周细胞在内皮覆盖率的降低使BBB的完整性受到破坏［20］。

2.1.3 对星形胶质细胞的作用及其机制：星形胶质细胞可通过调控神经递质和离子浓度、突触间传递和免疫反应，保护神经元［21］，分泌的许多效应分子可维持、加强BBB的稳固性［7］。Tat蛋白可刺激星形胶质细胞生成促炎症介质，参与炎症反应，损伤星形胶质细胞，进而损伤BBB的结构与功能。组蛋白脱乙酰化酶 6（histone deacetylase 6，HDAC6）参与HIV-1 Tat蛋白诱导活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，是通过调节星形胶质细胞内Nox2型NADPH氧化酶的表达和活性来实现的［22］，而Nox2型NADPH氧化酶也参与HIV-1 Tat蛋白诱导ROS生成过程［23］，从而刺激星形胶质细胞产生促炎症介质，包括细胞因子，趋化因子和粘附分子［22］。Tat蛋白可通过激活JAK／PI3K／Akt和p38 MAPK信号通路等途径增加星形胶质细胞中CCL5的表达量，CCL5在峰浓度2～4 ng／ml范围时会导致促炎症反应［24］。Tat蛋白诱导星形胶质细胞表达IL-6和IL-8在mRNA和蛋白水平均呈现时间依赖性，激活各种转录因子如NF-κB和AP-1可促进Tat蛋白诱导星形胶质细胞表达 IL-6和 IL-8，参与许多炎症反应［25］，进而损伤星形胶质细胞和BBB。

2.2 HIV-1 Tat蛋白与其他化学物质协同损伤BBB 甲基苯丙胺（Methamphetamine，METH）等化学物质可以通过氧化应激反应、调控紧密连接蛋白的表达与功能等途径，协同HIV-1Tat蛋损伤BBB。近年来研究发现，METH等化学物质会对脑神经细胞产生毒性作用［26］，而且会增加HIV-1感染者出现HIV-1相关神经认知障碍（HIV-1 associated neurocognitive disorder，HAND）的风险。HIV-1感染者中也存在METH等化学物质的滥用。

METH和Tat蛋白通过降低抗氧化剂谷胱甘肽（glutathione，GSH）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GPx）在脑内的含量，协同诱导氧化应激［27］。METH也可激活HIV长末端重复序列（long terminal repeats，LTR），促进 Tat蛋白的表达［28］。 Patel等［29］发现，METH 和 Tat可影响跨细胞运输，改变BBB的完整性，而不是通过影响细胞旁路复合物的流出改变BBB的完整性。Dalvi等［30］研究表明，HIV-1 Tat蛋白和可卡因可以通过激活Ras／Raf／ERK1／2信号通路使人肺血管内皮细胞氧化应激增加，细胞内ROS增加，从而破坏紧密连接蛋白，阻碍肺内皮正常功能和肺血管重建。Raborn等［31］的研究提出，HIV-1 Tat蛋白促进人U937细胞与细胞外基质（extracellular matrix，ECM）蛋白质的粘附，而大麻类可以激活2型大麻素受体（CB2R）后可以抑制这种粘附作用。因为粘附过程作为环境条件会引发一系列细胞内反应，包括细胞骨架重新定位、基因表达差异和细胞迁移增加。

3 小结及展望

HIV-1 Tat蛋白在病毒感染早期便会产生，并且可以通过调节信号通路、损伤BBB相关细胞以及调节紧密连接蛋白的表达等途径损伤BBB的结构，进而影响BBB发挥正常功能。许多化学物质可通过诱导氧化应激、调节跨细胞运输和激活信号通路等途径协同Tat蛋白损伤BBB。目前，Tat蛋白损伤BBB以及其他化学物质协同损伤作用机制尚不清楚，其中Tat蛋白对周细胞的作用研究相对较少。因此，对Tat蛋白损伤BBB的机制进行全面、深入的研究对HAND的预防、治疗以及控制具有重要意义。

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