疾病与健康-分子生物学

1、第九章第九章 疾病与人类健康疾病与人类健康9. 1 肿瘤与癌症肿瘤与癌症癌（癌（cancer）是一群不受生长调控而繁殖的细）是一群不受生长调控而繁殖的细胞，也称恶性肿瘤。与此相对应的良性肿瘤是胞，也称恶性肿瘤。与此相对应的良性肿瘤是一群仅局限在自己的正常位置，且不侵染周围一群仅局限在自己的正常位置，且不侵染周围其它组织和器官的细胞。因此，绝大多数癌是其它组织和器官的细胞。因此，绝大多数癌是由肿瘤细胞经过一系列突变转化而来的由肿瘤细胞经过一系列突变转化而来的 。经典单基因病经典单基因病。至今已发现。至今已发现6，000余种，主要余种，主要病因是某个基因位点上产生了缺陷等位基因。病因是某个基因位点

2、上产生了缺陷等位基因。多基因病多基因病。涉及多个基因及调控这些基因表达。涉及多个基因及调控这些基因表达的环境因子之间的相互作用。大多数人类疾病，的环境因子之间的相互作用。大多数人类疾病，特别是危害较大的高血压、糖尿病、骨质疏松、特别是危害较大的高血压、糖尿病、骨质疏松、精神及神经病等，都属于这一范畴。精神及神经病等，都属于这一范畴。获得性获得性（acquired）基因病基因病。主要是由病原微。主要是由病原微生物感染引起的传染病，虽然不符合经典的生物感染引起的传染病，虽然不符合经典的“世代遗传世代遗传”方式，但基本上是病原微生物基方式，但基本上是病原微生物基因组与人类基因组相互作用的结果，都涉及

3、基因组与人类基因组相互作用的结果，都涉及基因结构与表达模式的改变。因结构与表达模式的改变。 癌基因（癌基因（oncogene）：促进细胞增生，这类）：促进细胞增生，这类 基因往往常发生功能基因往往常发生功能 突变。突变。 抑癌细胞（抑癌细胞（tumor suppressor gene, TSGs）: 抑制细胞生长。抑癌抑制细胞生长。抑癌 基因的活性下降（功基因的活性下降（功 能缺失突变）是引起能缺失突变）是引起 癌变的另一个原因。癌变的另一个原因。9. 1. 1 反转录病毒致癌基因反转录病毒致癌基因Rous在在1910年发现带有单链年发现带有单链RNA肉瘤病毒肉瘤病毒（一种反转录病毒）的鸡肉瘤

4、无细胞滤液能（一种反转录病毒）的鸡肉瘤无细胞滤液能在鸡体内诱发新的肉瘤。在鸡体内诱发新的肉瘤。该病毒基因组为该病毒基因组为6-9kb，RNA上的基因数目上的基因数目很少，被包裹在由很少，被包裹在由gag和和env两个基因编码的两个基因编码的蛋白质外壳中，其中蛋白质外壳中，其中env基因基因指导外壳蛋白指导外壳蛋白的合成，的合成，gag基因基因则指导则指导“鞘鞘”蛋白的合成，蛋白的合成，这些这些“鞘鞘”蛋白好像蛋白好像“道钉道钉”一样一样“箍箍”在在外壳的表面，维持外壳蛋白结构的稳定性。外壳的表面，维持外壳蛋白结构的稳定性。该反转录酶再以病毒该反转录酶再以病毒RNA为模板，转录出单链为模板，转录

5、出单链DNA分子，利用宿主分子，利用宿主DNA聚合酶指导合成第聚合酶指导合成第二条二条DNA链，以双链链，以双链DNA形式整合到宿主细形式整合到宿主细胞基因组中。胞基因组中。被整合的被整合的反转录病毒反转录病毒DNA分子称为分子称为原病毒原病毒（provirus），它能指导病毒），它能指导病毒mRNA的合成，的合成，并利用宿主细胞中的蛋白质合成机器，翻译生并利用宿主细胞中的蛋白质合成机器，翻译生成病毒外壳蛋白等，最后组装成病毒颗粒。成病毒外壳蛋白等，最后组装成病毒颗粒。 图图9-2 9-2 反转录病毒颗粒示意图反转录病毒颗粒示意图 DNA病毒包括乙型肝炎病毒、病毒包括乙型肝炎病毒、SV40和多

6、瘤病和多瘤病毒、乳头瘤病毒、腺病毒、疱疹病毒和痘病毒。毒、乳头瘤病毒、腺病毒、疱疹病毒和痘病毒。RNA病毒主要是反转录病毒。反转录病毒致癌病毒主要是反转录病毒。反转录病毒致癌基因（基因（retrovirus onc）可能是研究最多的病毒）可能是研究最多的病毒基因，它们能使靶细胞发生恶性转化。基因，它们能使靶细胞发生恶性转化。反转录病毒的复制是由其自身基因组上反转录病毒的复制是由其自身基因组上pol基基因编码的反转录酶指导完成的。当该病毒感染因编码的反转录酶指导完成的。当该病毒感染细胞时，细胞时，pol基因就被宿主的基因就被宿主的RNA聚合酶聚合酶II转录，转录，产生产生pol mRNA，并在宿

7、主核糖体上合成包括，并在宿主核糖体上合成包括反转录酶、整合酶等多个病毒复制和整合所需反转录酶、整合酶等多个病毒复制和整合所需要的酶类。要的酶类。 图图9-3 9-3 反转录病毒基因结构示意图反转录病毒基因结构示意图 该反转录酶再以病毒该反转录酶再以病毒RNA为模板，转录出与为模板，转录出与病毒病毒RNA序列互补的单链序列互补的单链DNA分子，并以此分子，并以此为模板，利用宿主为模板，利用宿主DNA聚合酶指导合成第二聚合酶指导合成第二条条DNA链，以双链链，以双链DNA形式整合到宿主细胞形式整合到宿主细胞基因组中。基因组中。 图图9-4 9-4 反转录病毒插反转录病毒插入引起入引起c-mycc-

8、myc基因活化基因活化的几种可能途径的几种可能途径 。最早研究的致癌基因可能是劳斯氏（最早研究的致癌基因可能是劳斯氏（Rous）肉）肉瘤病毒中的瘤病毒中的V-Src基因，编码被称为基因，编码被称为p60Src的蛋的蛋白质。白质。该蛋白是该蛋白是514个氨基酸的磷酸化蛋白，其个氨基酸的磷酸化蛋白，其C端端250个氨基酸是活性区域，负责将磷酸基团移个氨基酸是活性区域，负责将磷酸基团移到酪氨酸残基上，可使多个靶蛋白发生磷酸化到酪氨酸残基上，可使多个靶蛋白发生磷酸化而影响其功能，加速细胞癌变的过程。而影响其功能，加速细胞癌变的过程。 图图9-5 9-5 劳斯氏肉瘤病毒基因结构及劳斯氏肉瘤病毒基因结构及

9、c-Srcc-Src原癌基因的转变原癌基因的转变 V-onc基因的起源基因的起源研究发现，反转录病毒基因组中所带有的研究发现，反转录病毒基因组中所带有的onc基因并非来自病毒本身，而是这些病毒基因并非来自病毒本身，而是这些病毒在感染动物或人体之后获得的细胞原癌基因。在感染动物或人体之后获得的细胞原癌基因。动物或人原癌基因经病毒修饰和改造后，成动物或人原癌基因经病毒修饰和改造后，成为病毒基因组的一部分并具有了致癌性，其为病毒基因组的一部分并具有了致癌性，其作用的靶分子也往往发生改变。作用的靶分子也往往发生改变。 癌基因癌基因（oncogene）可分为两大类：）可分为两大类：一类是一类是病毒癌基因

10、病毒癌基因（viral oncogene，V-onc），），编码病毒癌基因的主要有编码病毒癌基因的主要有DNA病毒和病毒和RNA病毒。病毒。第二类是第二类是细胞转化基因细胞转化基因（C-onc），它们能使），它们能使正常细胞转化为肿瘤细胞，这类基因与病毒癌正常细胞转化为肿瘤细胞，这类基因与病毒癌基因有显著的序列相似性。基因有显著的序列相似性。根据反转录病毒转化细胞的能力，可分为：根据反转录病毒转化细胞的能力，可分为：1、急性转化型、急性转化型1）感染动物后，很短时间（几天或几周）感染动物后，很短时间（几天或几周）就出现实体瘤或白血病。就出现实体瘤或白血病。2）所带的癌基因一般位于病毒基因组内部

11、，）所带的癌基因一般位于病毒基因组内部，也可位于基因组的也可位于基因组的3端，但不会插入结构端，但不会插入结构基因内部。基因内部。3）具有体外转化细胞的能力。）具有体外转化细胞的能力。2、非急性转化型。感染寄主后，需要较长、非急性转化型。感染寄主后，需要较长时间（几个月，几年或数十年时间（几个月，几年或数十年)才会致癌。才会致癌。研究发现，反转录病毒基因组中所带有的研究发现，反转录病毒基因组中所带有的onc基因并非来自病毒本身，而是这些病毒在感染基因并非来自病毒本身，而是这些病毒在感染动物或人体之后获得的细胞原癌基因动物或人体之后获得的细胞原癌基因 。在肿瘤细胞中，在肿瘤细胞中，“生长控制点生

12、长控制点”不起作用，所不起作用，所以瘤细胞一直处于细胞周期循环之中以瘤细胞一直处于细胞周期循环之中 。细胞数量细胞数量培养时间（天）培养时间（天）癌细胞癌细胞+血清生长因子血清生长因子癌细胞癌细胞-血清生长因子血清生长因子正常细胞正常细胞-血清生长因子血清生长因子正常细胞正常细胞+血清生长因子血清生长因子图图9-6 9-6 上表皮癌的发生过程示意图上表皮癌的发生过程示意图 9. 1. 2 原癌基因（细胞转化基因）产物及分类原癌基因（细胞转化基因）产物及分类除病毒感染诱发细胞癌变外，许多非病毒因子除病毒感染诱发细胞癌变外，许多非病毒因子（如放射性物质、化学试剂亚硝酸、烷化剂等）（如放射性物质、化

13、学试剂亚硝酸、烷化剂等）也能诱导细胞转化。也能诱导细胞转化。这些因子没有把致癌基因或其他致癌的遗传信这些因子没有把致癌基因或其他致癌的遗传信息带入细胞，而通过某种激活机制改变了细胞息带入细胞，而通过某种激活机制改变了细胞内原有的遗传信息，使细胞发生恶性转化。研内原有的遗传信息，使细胞发生恶性转化。研究证明，致癌因子导致基因突变究证明，致癌因子导致基因突变 。图图9-7 9-7 黄曲霉素（黄曲霉素（aflatoxinaflatoxin）导致细胞发生癌变的分子机制）导致细胞发生癌变的分子机制 根据原癌基因产物在细胞中的位置，分为根据原癌基因产物在细胞中的位置，分为3类：类：1、与膜结合的蛋白，主要

14、有、与膜结合的蛋白，主要有erbB、neu、fms、mas和和Src基因产物；基因产物；2、可溶性蛋白，包括、可溶性蛋白，包括mos、sis和和fps基因产基因产物；物；3、核蛋白，包括、核蛋白，包括myc、ets、jun和和myb等。等。根据这些蛋白的功能，它们又常被分为根据这些蛋白的功能，它们又常被分为6大类，大类，即蛋白激酶类、生长因子类、生长因子受体即蛋白激酶类、生长因子类、生长因子受体类，类，GTP结合蛋白类、核蛋白类和功能未知结合蛋白类、核蛋白类和功能未知类（表类（表9-2）。）。 9. 1. 3 原癌基因的表达调控原癌基因的表达调控原癌基因原癌基因在正常细胞中通常以单拷贝形式存在

15、，在正常细胞中通常以单拷贝形式存在，只有低水平的表达或根本不表达。在很多情况只有低水平的表达或根本不表达。在很多情况下，原癌基因的结构发生了点突变或插入、重下，原癌基因的结构发生了点突变或插入、重排、缺失及扩增等，改变其转录活性。排、缺失及扩增等，改变其转录活性。图图9-8 9-8 细胞中原癌基因转变为癌基因的主要途径细胞中原癌基因转变为癌基因的主要途径 1.点突变点突变研究发现，研究发现，ras基因编码了一个分子量为基因编码了一个分子量为2.1104癌蛋白（癌蛋白（p21），从人类膀胱癌细胞），从人类膀胱癌细胞系系T24 DNA中克隆的中克隆的Ha-ras基因基因能够诱发能够诱发NlH/3T

16、3细胞转化，而从正常细胞细胞转化，而从正常细胞DNA中克中克隆的该原癌基因没有这种功能。隆的该原癌基因没有这种功能。人类肺癌细胞系人类肺癌细胞系Hs242的转化基因与的转化基因与Ha-ras高高度相似，在这个基因中导致转化活性的遗传损度相似，在这个基因中导致转化活性的遗传损伤是第二个外显子中引起伤是第二个外显子中引起p21蛋白第蛋白第61位谷氨位谷氨酰胺被亮氨酸所替代的一个点突变，进而引起酰胺被亮氨酸所替代的一个点突变，进而引起蛋白质构象的改变，使细胞获得转化活性。蛋白质构象的改变，使细胞获得转化活性。图图9-9 9-9 rasras基基因的点突变因的点突变及转化活性及转化活性分析分析 。2.

17、 LTR插入。插入。LTR是逆转录病毒基因组两端的是逆转录病毒基因组两端的长末端重复长末端重复序列序列（long terminal repeat），含有强启动），含有强启动子序列，当子序列，当LTR插入原癌基因启动子区域或插入原癌基因启动子区域或邻近部位后，可从根本上改变基因的正常调邻近部位后，可从根本上改变基因的正常调控规律。控规律。LTR插入到插入到c-myc 5上游启动子附近，使上游启动子附近，使c-myc的转录水平大大增加。的转录水平大大增加。3. 基因重排。基因重排。正常情况下，正常情况下，c-myc定位于定位于8q24，免疫球蛋白免疫球蛋白重链基因重链基因（IgH）定位于）定位于1

18、4q32，轻链，轻链基因基因（Ig）定位于）定位于22q12，轻链，轻链k基因（基因（Igk）定位）定位于于2p11，。，。在在Burkitt淋巴瘤中，淋巴瘤中，c-myc易位至易位至IgH、Igk或或Ig的位点，使的位点，使Ig基因与基因与c-myc相连在一起，相连在一起，Ig基因启动子使原来不表达的基因启动子使原来不表达的c-myc高表达。高表达。在正常人体细胞中，在正常人体细胞中，非受体型酪氨酸蛋白激非受体型酪氨酸蛋白激酶基因酶基因abl位于第位于第9号染色体上，表达量极低，号染色体上，表达量极低，不会诱发癌变。在不会诱发癌变。在慢性骨髓瘤慢性骨髓瘤病人细胞中，病人细胞中，该基因却被转移

19、到第该基因却被转移到第22号染色体上，与号染色体上，与bcr基基因相融合，表达量大为提高。因相融合，表达量大为提高。 图图9-10 9-10 ablabl原癌基因通过选择性染色体重排转变成细胞癌基因原癌基因通过选择性染色体重排转变成细胞癌基因 4. 缺失缺失。很多原癌基因。很多原癌基因5上游区存在负调控序上游区存在负调控序列，一旦该序列发生缺失或突变，就丧失抑制列，一旦该序列发生缺失或突变，就丧失抑制基因表达调控的能力。如基因表达调控的能力。如Burkitt淋巴瘤中淋巴瘤中C-myc可因负调控序列的缺失或可因负调控序列的缺失或LTR插入破坏其插入破坏其结构而增强表达。结构而增强表达。5. 基因

20、扩增基因扩增。使每个细胞中基因拷贝数增加，。使每个细胞中基因拷贝数增加，从而直接增加可用的转录模板。从而直接增加可用的转录模板。 9. 1. 4 基因互作与癌基因表达基因互作与癌基因表达1. 染色体构象对原癌基因表达的影响。染色体构象对原癌基因表达的影响。 基因表达不仅取决于基因本身及其相邻区域基因表达不仅取决于基因本身及其相邻区域的一级结构，也取决于其空间构象，即基因在的一级结构，也取决于其空间构象，即基因在染色体上的空间排列和染色质的结构。当两个染色体上的空间排列和染色质的结构。当两个基因相距太近时，往往不易形成有利于高效转基因相距太近时，往往不易形成有利于高效转录的空间结构。录的空间结构

21、。基因与基因之间的间隔距离被定义为基因与基因之间的间隔距离被定义为“基因基因领域领域”（gene territory）。同一）。同一DNA链上两链上两个具有相同转录方向的基因间隔小于一定长个具有相同转录方向的基因间隔小于一定长度时，影响有效转录所必需的染色质结构的度时，影响有效转录所必需的染色质结构的形成，从而使这两个基因中的一个或两个均形成，从而使这两个基因中的一个或两个均不能转录或转录活性显著降低，产生所谓不能转录或转录活性显著降低，产生所谓基基因领域效应因领域效应（gene territorial effect）。）。正常人正常人c-myc定位于第定位于第8号染色体，在其两侧分号染色体，

22、在其两侧分别存在强表达的基因，使别存在强表达的基因，使c-myc处于两面受夹处于两面受夹击的地位。在击的地位。在Burkitt淋巴瘤淋巴瘤中，由于发生基因中，由于发生基因重排，使重排，使c-myc基因一侧的强表达基因消失，基因一侧的强表达基因消失，从而消除了对从而消除了对c-myc的基因领域效应，使后者的基因领域效应，使后者的转录活性增强。的转录活性增强。小鼠细胞中，小鼠细胞中，c-myc的的5上游区域也存在一个上游区域也存在一个强表达基因，全长强表达基因，全长15kb，距，距c-myc只有只有3kb。很显然，这一间隔距离太短，与基因有效转很显然，这一间隔距离太短，与基因有效转录应有的最小距离

23、相差甚远，录应有的最小距离相差甚远，c-myc受基因领受基因领域效应的影响非常大，表达受抑制。域效应的影响非常大，表达受抑制。在在小鼠乳腺癌小鼠乳腺癌细胞中，上述间隔距离被显著细胞中，上述间隔距离被显著拉长，激活拉长，激活c-myc转录。转录。2. 原癌基因终产物对基因表达的影响。原癌基因终产物对基因表达的影响。癌基因产物通过介质传递生长刺激信号的部癌基因产物通过介质传递生长刺激信号的部位有位有3处：处：癌基因产物本身模拟了生长因子，因而与癌基因产物本身模拟了生长因子，因而与相应的受体作用，以自分泌的方式刺激细胞相应的受体作用，以自分泌的方式刺激细胞生长；生长；癌基因产物模拟了已结合配体的生长

24、因子癌基因产物模拟了已结合配体的生长因子受体，从而在无外源生长因子时提供了促进受体，从而在无外源生长因子时提供了促进细胞分裂的信号；细胞分裂的信号；癌基因产物作用于细胞内生长控制途径，解癌基因产物作用于细胞内生长控制途径，解除此途径对外源刺激信号的需求。除此途径对外源刺激信号的需求。人血小板衍生生长因子（人血小板衍生生长因子（PDGFPDGF）与猴肉瘤病）与猴肉瘤病毒（毒（SSVSSV）的）的V-rasV-ras癌基因产物，上皮生长因癌基因产物，上皮生长因子（子（EGFEGF）与）与SrcSrc及及V-erbV-erb癌基因产物之间都存癌基因产物之间都存在着极高的相似性，表明生长因子与癌基因转

25、在着极高的相似性，表明生长因子与癌基因转化有关。化有关。3. 抑癌基因抑癌基因产物对原癌基因的调控。因为抑癌产物对原癌基因的调控。因为抑癌基因产物能够抑制细胞的恶性增殖，所以它被基因产物能够抑制细胞的恶性增殖，所以它被认为是一种隐性癌基因。当细胞内由于某种原认为是一种隐性癌基因。当细胞内由于某种原因造成这些基因的表达受抑制时，原癌基因就因造成这些基因的表达受抑制时，原癌基因就活跃表达，引起细胞癌变。活跃表达，引起细胞癌变。p53基因，基因，Guardian of the genome1990年，科学家首次发现年，科学家首次发现p53是一个肿瘤抑是一个肿瘤抑制基因。缺失该基因时，患制基因。缺失该

26、基因时，患Li-Fraumeni Syndrome。此外，病人极易患乳腺癌，脑癌。此外，病人极易患乳腺癌，脑癌和白血病。和白血病。p53基因在星形细胞癌、乳癌、肺癌、肠癌及基因在星形细胞癌、乳癌、肺癌、肠癌及骨肉瘤中都有高频率缺失现象。从癌细胞中得骨肉瘤中都有高频率缺失现象。从癌细胞中得到的到的p53基因，其保守序列区有单一位点的突基因，其保守序列区有单一位点的突变，推测可能由于这一突变导致变，推测可能由于这一突变导致p53基因基因产物产物结构与功能的改变，失去抑癌活性。结构与功能的改变，失去抑癌活性。磷酸化磷酸化DNA损伤损伤磷酸化磷酸化与与BRCA2及及mRAD51协同作协同作用，通过同源

27、重用，通过同源重组的方式完成双组的方式完成双链链DNA损伤修复损伤修复激活细胞周期调控激活细胞周期调控机制，停止机制，停止DNA合合成，启动成，启动DNA损伤损伤修复。修复。p53基因中最常见的单碱基突变所造成的氨基酸基因中最常见的单碱基突变所造成的氨基酸改变改变. p53p53基因与细胞癌变基因与细胞癌变a.a.正常情况下，细胞分裂与正常情况下，细胞分裂与p53p53基因无关；基因无关；b.b.如果细胞中受损，如果细胞中受损，p53p53基因被激活，基因被激活， 使细胞受阻于阶段直到被修复或使细胞受阻于阶段直到被修复或 启动细胞凋亡程序；启动细胞凋亡程序；c.c.如果细胞中如果细胞中p53p

28、53基因的两个拷贝同时被破基因的两个拷贝同时被破 坏，细胞可能死于有丝分裂过程中，也坏，细胞可能死于有丝分裂过程中，也 可能带着损伤继续分裂，导致恶性肿瘤可能带着损伤继续分裂，导致恶性肿瘤DNA损伤损伤P53含量升高，含量升高，G1停滞停滞细胞在细胞在DNA修修复后继续分裂复后继续分裂或者发生或者发生细胞凋亡细胞凋亡(a) (b)没有没有p53基因基因没有没有G1停滞停滞带有带有DNA损伤的细损伤的细胞分裂，细胞的倍胞分裂，细胞的倍性发生变化性发生变化DNA损伤损伤有丝分裂失败有丝分裂失败,细胞死亡细胞死亡癌变癌变CRb基因是从视网膜纤维瘤中克隆到的另一个基因是从视网膜纤维瘤中克隆到的另一个抑

29、癌基因，其功能是阻止处于抑癌基因，其功能是阻止处于G0/G1期的细期的细胞进入胞进入S期，从而控制细胞增殖。正常期，从而控制细胞增殖。正常Rb基基因的表达几乎可抑制所有培养细胞的分裂。因的表达几乎可抑制所有培养细胞的分裂。 CDK4/cyclin D复复合物使合物使pRb磷酸化磷酸化非活性转录调控因子非活性转录调控因子转录调控因子有活性转录调控因子有活性基因表达，细胞顺利通基因表达，细胞顺利通过一个细胞周期过一个细胞周期靶基因靶基因4. 外源信号对原癌基因表达的影响。外源信号对原癌基因表达的影响。细胞外信号（包括生长因子、激素、神经递质、细胞外信号（包括生长因子、激素、神经递质、药物等）作用于

30、靶细胞后，通过细胞膜受体系药物等）作用于靶细胞后，通过细胞膜受体系统或其它直接途径被传递至细胞内，再通过多统或其它直接途径被传递至细胞内，再通过多种蛋白激酶的活化，对转录因子进行修饰，然种蛋白激酶的活化，对转录因子进行修饰，然后激活一系列基因转录。后激活一系列基因转录。 图图9-11 9-11 许多原癌基因参与细胞信号转导过程许多原癌基因参与细胞信号转导过程 香烟香烟食物中的污染物食物中的污染物黄曲霉素黄曲霉素 B1太阳光照射太阳光照射脱氨脱氨内源生理代谢，内源生理代谢，如肝脏解毒功能等如肝脏解毒功能等脱氨脱氨9. 2 人免疫缺损病毒人免疫缺损病毒HIV人免疫缺损病毒人免疫缺损病毒（HIV），

31、俗称），俗称艾滋病毒艾滋病毒（AIDS），诱发人类），诱发人类获得性免疫缺损综合症获得性免疫缺损综合症。该 病 毒 在 分 类 上 属 反 转 录 病 毒 科该 病 毒 在 分 类 上 属 反 转 录 病 毒 科（Retroviridae）慢病毒属中的灵长类免疫缺）慢病毒属中的灵长类免疫缺损病毒亚属。损病毒亚属。1983年，法国巴斯德研究所的年，法国巴斯德研究所的Montaginer和美国国家卫生研究院癌症研究所和美国国家卫生研究院癌症研究所Gallo等人首次证实等人首次证实HIV是艾滋病的病因。是艾滋病的病因。HIV I是从欧洲和美洲分离的毒株，与猴艾是从欧洲和美洲分离的毒株，与猴艾滋病毒只

32、有约滋病毒只有约45%的相似性，它的致病力的相似性，它的致病力很强，是引起全球艾滋病流行的主要病原。很强，是引起全球艾滋病流行的主要病原。HIV研究主要针对研究主要针对HIV I。HIV II与猴艾滋病毒的相似性高达与猴艾滋病毒的相似性高达75%，其，其毒力较弱，引起艾滋病的病程较长，症状毒力较弱，引起艾滋病的病程较长，症状较轻，且主要局限于西部非洲。较轻，且主要局限于西部非洲。9. 2. 1 HIV病毒粒子的形态结构和传染病毒粒子的形态结构和传染艾滋病病毒粒子是一种直径约为艾滋病病毒粒子是一种直径约为100nm的球的球状病毒，包被着由两层脂质组成的脂膜，这状病毒，包被着由两层脂质组成的脂膜，

33、这种结合有许多糖蛋白分子（主要是种结合有许多糖蛋白分子（主要是gp41和和gp120）的脂质源于寄主细胞的外膜。蛋白）的脂质源于寄主细胞的外膜。蛋白质质p24和和p18组成其核心，内有基因组组成其核心，内有基因组RNA链，链，链上附着有反转录酶。链上附着有反转录酶。HIV依靠血、血制品以及人体分泌的奶液和精依靠血、血制品以及人体分泌的奶液和精液等传播，主要感染液等传播，主要感染T淋巴细胞，也感染淋巴细胞，也感染B淋淋巴细胞和单形核细胞等。巴细胞和单形核细胞等。HIV感染形成多核巨细胞，并导致细胞死亡。感染形成多核巨细胞，并导致细胞死亡。HIV病毒可以通过所感染细胞扩散到全身，已病毒可以通过所感

34、染细胞扩散到全身，已在淋巴细胞、脑、胸腺、脾等组织发现了该病在淋巴细胞、脑、胸腺、脾等组织发现了该病毒。自然界广泛存在着突变株。毒。自然界广泛存在着突变株。图图9-12 HIV-I9-12 HIV-I病毒粒子结构模型图病毒粒子结构模型图 9. 2. 2 HIV基因组及其编码的蛋白基因组及其编码的蛋白1. HIV基因组结构基因组结构HIV基因组由两条单链正链基因组由两条单链正链RNA组成，每个组成，每个RNA基因组约为基因组约为9.7kb。在。在RNA5端有一帽子端有一帽子结构（结构（m7G5GmpNp），），3端有多聚端有多聚(A)尾巴。尾巴。由由5末端末端LTR、结构蛋白编码区（、结构蛋白编

35、码区（gag）、蛋）、蛋白酶编码区（白酶编码区（pro）、具有多种酶活性的蛋白）、具有多种酶活性的蛋白编码区（编码区（pol）、外膜蛋白（）、外膜蛋白（env）和）和3未端未端LTR组成。组成。HIV IHIV I基因编码区有很多重叠，尤其在基因基因编码区有很多重叠，尤其在基因组的组的33端。端。HIVHIV基因组中的部分基因如基因组中的部分基因如TatTat和和RevRev是不连续的，被插入的内含子分隔成是不连续的，被插入的内含子分隔成两个外显子。两个外显子。HIV IHIV I至少有至少有4 4个功能性的剪接个功能性的剪接供体位点供体位点和和6 6个个受体位点受体位点。图图9-13 HIV

36、-I基因组结构及所编码的主要蛋白质基因组结构及所编码的主要蛋白质 2. HIV编码的蛋白质及其主要功能编码的蛋白质及其主要功能 HIV的结构蛋白主要包括的结构蛋白主要包括3个基因。个基因。gag基因编基因编码病毒的核心蛋白，翻译时先形成一个码病毒的核心蛋白，翻译时先形成一个5.55.510104 4的前体的前体(p55)(p55)，然后在，然后在HIVHIV蛋白酶的作蛋白酶的作用下被切割成用下被切割成p17p17、p24p24、p15p15三个蛋白。三个蛋白。P24P24和和p17p17分别组成分别组成HIVHIV颗粒的外壳（颗粒的外壳（CACA）和内膜蛋白）和内膜蛋白(MA)(MA)，p15

37、p15进一步被切割成与病毒进一步被切割成与病毒RNARNA结合的核结合的核衣壳蛋白衣壳蛋白(NC)p9(NC)p9和和p7p7。PolPol基因编码病毒复制所需的酶类包括逆转录基因编码病毒复制所需的酶类包括逆转录酶酶p66p66、整合酶、整合酶p32p32。从从polpol和和gaggag基因重叠区内起始的一段序列为基因重叠区内起始的一段序列为propro基因，它编码蛋白酶基因，它编码蛋白酶p22p22，在切割，在切割HIVHIV蛋白蛋白前体的过程中起作用。前体的过程中起作用。envenv编码编码8.88.810104 4的蛋白质，经糖基化后其相对的蛋白质，经糖基化后其相对分子质量增至分子质量

38、增至1.61.610105 5，是，是HIVHIV包膜糖蛋白包膜糖蛋白Gp160Gp160的前体，可进一步被切割成的前体，可进一步被切割成Gp120Gp120和和Gp41Gp41。Gp120Gp120是外膜蛋白，感染细胞时可与细胞的是外膜蛋白，感染细胞时可与细胞的CDCD4 4受体蛋白相结合，并与受体蛋白相结合，并与G G蛋白偶联受体蛋白偶联受体（GPCRGPCR）家族中的一个跨膜蛋白发生相互作）家族中的一个跨膜蛋白发生相互作用。用。Gp41Gp41是跨膜蛋白（是跨膜蛋白（TMTM），嵌入病毒包膜脂质），嵌入病毒包膜脂质中，对中，对HIVHIV的侵染和致病有非常重要的作用。的侵染和致病有非常重

39、要的作用。图图9-14 HIV I9-14 HIV I感染小神经质感染小神经质细胞和巨噬细细胞和巨噬细胞过程中信号胞过程中信号传导及与其受传导及与其受体体CDCD4 4和辅助和辅助受体相互作用受体相互作用示意图。示意图。3. HIV膜蛋白主要功能区膜蛋白主要功能区（1 1）主要抗原决定簇：包括）主要抗原决定簇：包括V3V3区（第区（第301-324301-324位的环状肽段）的主抗原决定簇及若干个较弱位的环状肽段）的主抗原决定簇及若干个较弱的决定簇，其中有两个分别位于的决定簇，其中有两个分别位于Gp41Gp41的的616-616-632632位和位和724-751724-751位。位。（2 2

40、）T T细胞决定簇：两个辅助性细胞决定簇：两个辅助性T T细胞决定簇细胞决定簇T2T2和和T1T1分别在分别在105-117105-117位的位的C1C1区和区和421-436421-436位的位的C4C4区，一个主要细胞毒区，一个主要细胞毒T T细胞决定簇位于第细胞决定簇位于第308-322308-322位。另有位。另有3 3个较弱的细胞毒个较弱的细胞毒T T细胞决定细胞决定簇在簇在Gp41Gp41上。上。（3 3）CDCD4 4受体结合区：该区位于受体结合区：该区位于423-427423-427位位（C4C4区）。在上述功能区以外的某些氨基酸突区）。在上述功能区以外的某些氨基酸突变也能影响

41、变也能影响gp120gp120的功能，说明上述各功能区的功能，说明上述各功能区发挥作用还依赖于整个分子特定的空间构象。发挥作用还依赖于整个分子特定的空间构象。9.2.3 HIV9.2.3 HIV的复制的复制HIVHIV与受体结合后，病毒核心蛋白和两条与受体结合后，病毒核心蛋白和两条RNARNA链进入细胞。反转录酶以病毒链进入细胞。反转录酶以病毒RNARNA为模板合成为模板合成单链单链DNADNA，并由宿主细胞，并由宿主细胞DNADNA聚合酶合成双链聚合酶合成双链DNADNA（原病毒原病毒），经环化后进入细胞核并整合），经环化后进入细胞核并整合到染色体上，随细胞的分裂传代可长期潜伏。到染色体上，

42、随细胞的分裂传代可长期潜伏。 主要过程如下：主要过程如下：原病毒整合到宿主染色体上，无症状；原病毒整合到宿主染色体上，无症状；原原病毒利用宿主细胞的转录和合成系统转录产生病毒利用宿主细胞的转录和合成系统转录产生病毒病毒mRNAmRNA，其中一部分编码病毒蛋白，与基因，其中一部分编码病毒蛋白，与基因组组RNARNA组装成新的病毒颗粒，从寄主细胞中释组装成新的病毒颗粒，从寄主细胞中释放出来侵染其它健康细胞；放出来侵染其它健康细胞；寄主细胞瓦解死寄主细胞瓦解死亡。亡。图图9-15 9-15 HIV-I在人体细胞内的复制和侵染过程示意图在人体细胞内的复制和侵染过程示意图 HIVHIV的感染及致病机理的

43、感染及致病机理HIVHIV感染人体后大量复制和扩散，血清中出现感染人体后大量复制和扩散，血清中出现HIVHIV抗原，从外周血细胞、脑脊液和骨髓细胞抗原，从外周血细胞、脑脊液和骨髓细胞中均能分离出中均能分离出HIV,HIV,是是HIVHIV原发感染的急性期。原发感染的急性期。大约大约70%70%以上的原发感染者在感染后以上的原发感染者在感染后2-42-4周内周内出现急性感染症状，包括发热、咽炎、淋巴出现急性感染症状，包括发热、咽炎、淋巴结肿大、关节痛、中枢及外周神经系统病变、结肿大、关节痛、中枢及外周神经系统病变、皮肤斑丘疹、粘膜溃疡等，持续皮肤斑丘疹、粘膜溃疡等，持续1-21-2周后进入周后进

44、入HIVHIV感染的无症状潜伏期。感染的无症状潜伏期。无症状潜伏期（可长达数年）。此时无任何无症状潜伏期（可长达数年）。此时无任何临床症状，外周血中临床症状，外周血中HIVHIV抗原含量很低甚至检抗原含量很低甚至检测不到。随感染时间的延长，测不到。随感染时间的延长，HIVHIV重新开始大重新开始大量复制并造成免疫系统损伤。临床上病人感量复制并造成免疫系统损伤。临床上病人感染逐步发展到染逐步发展到持续性全身性淋巴腺病持续性全身性淋巴腺病（PGLPGL）、）、艾滋病相关综合症艾滋病相关综合症（APCAPC）等，直至发展到艾）等，直至发展到艾滋病。滋病。HIVHIV除在细胞内大量繁殖造成细胞死亡外，

45、还除在细胞内大量繁殖造成细胞死亡外，还可通过以下几种途径导致免疫功能下降：可通过以下几种途径导致免疫功能下降：HIVHIV粒子表面的粒子表面的gp120gp120蛋白脱落，与正常细蛋白脱落，与正常细胞膜上胞膜上CDCD4 4受体结合，使该细胞被免疫系统误受体结合，使该细胞被免疫系统误认为病毒感染细胞而遭杀灭；认为病毒感染细胞而遭杀灭； 因因T T细胞细胞CDCD4 4受体被受体被gp120gp120封闭，影响了其免封闭，影响了其免疫辅助功能；疫辅助功能；HIVHIV的的gp120gp120蛋白可刺激机体产生抗蛋白可刺激机体产生抗CDCD4 4结合结合部位的特异性抗体，阻断部位的特异性抗体，阻断

46、T T细胞功能；细胞功能；带有病毒包膜蛋白的细胞可与其他细胞融带有病毒包膜蛋白的细胞可与其他细胞融合形成多核巨细胞而丧失功能。合形成多核巨细胞而丧失功能。9. 2. 4 HIV9. 2. 4 HIV基因表达调控基因表达调控HIVHIV的最大特点是含有许多调控基因，它们编的最大特点是含有许多调控基因，它们编码调控蛋白，在病毒码调控蛋白，在病毒RNARNA的转录、转录后加工、的转录、转录后加工、蛋白质翻译、包装以及病毒颗粒的释放等各蛋白质翻译、包装以及病毒颗粒的释放等各个过程中发挥重要作用。个过程中发挥重要作用。除除HIVHIV自身的调控蛋白外，还有许多寄主细胞自身的调控蛋白外，还有许多寄主细胞的

47、调控蛋白也参与这个过程。因此，的调控蛋白也参与这个过程。因此，HIVHIV复制复制的调控十分复杂。的调控十分复杂。1. LTR序列序列HIV基因组两端，在基因组两端，在HIV I与与HIV II及及SIV之间之间的保守性达的保守性达95%以上。以上。LTR 5端含有端含有HIV基因调控所必需的多个特定基因调控所必需的多个特定调控区（真核类增强子和启动子单位），现调控区（真核类增强子和启动子单位），现根据各区调控功能的异同分为调控单位、核根据各区调控功能的异同分为调控单位、核心单位和反式激活效应元件单位，并已在心单位和反式激活效应元件单位，并已在LTR中发现了许多细胞转录因子结合位点。中发现了许

48、多细胞转录因子结合位点。图图9-16 9-16 HIVHIV基因组基因组LTRLTR区中的区中的DNADNA和和RNARNA结合蛋结合蛋白的作用位点。白的作用位点。 包括：包括：（1）核心调控元件。该元件从）核心调控元件。该元件从LTR起始延伸起始延伸到到-78位核苷酸，至少包含位核苷酸，至少包含6个可与细胞转录调个可与细胞转录调控因子结合的区域。这些转录因子的结合部位控因子结合的区域。这些转录因子的结合部位如下：如下：鸡卵蛋白转录因子（鸡卵蛋白转录因子（COUP-TF），结合于），结合于LTR-371334位；位；激活蛋白激活蛋白1（activator protein 1, AP1），结合）

49、，结合于于LTR的的-347329位；位；激活激活T细胞核因子（细胞核因子（NFAT），有两个结合位），有两个结合位点，分别在点，分别在-292-255位和位和-216-203位；位；上游激活因子上游激活因子(USF)，结合于，结合于-173-160位；位；T细胞因子细胞因子-1(TCF-1)，结合于，结合于-139124位；位；核因子核因子kB (NF-B)， 结合于结合于-10481位。位。除除COUP-TF和和USF对对HIV的转录起负调控作用的转录起负调控作用外，其余均为正调控因子。外，其余均为正调控因子。（2 2）核心转录单位。）核心转录单位。HIVI LTRHIVI LTR核心转录

50、单位核心转录单位的结构与其他病毒或细胞启动子的转录起始区的结构与其他病毒或细胞启动子的转录起始区相似，有相似，有TATATATA区和区和SP1SP1结合位点。这些序列对结合位点。这些序列对转录的激活具有重要作用，一旦缺失将使转录的激活具有重要作用，一旦缺失将使LTRLTR失去启动子活性。失去启动子活性。核心转录单位核心转录单位-78-784646位点的富含位点的富含GCGC区有区有3 3个连续的个连续的SP1SP1结合位点结合位点(SP1(SP1蛋白含有蛋白含有DNADNA结合结合结构和两个富含谷氨酰胺的结构域，可形成二结构和两个富含谷氨酰胺的结构域，可形成二聚或三聚体聚或三聚体) )。3 3

51、分子分子SP1SP1与与LTRLTR结合后，由于彼此间以及结合后，由于彼此间以及SP1SP1与周围蛋白的相互作用改变了与周围蛋白的相互作用改变了DNADNA的空间结构，的空间结构，诱导了依赖于诱导了依赖于DNADNA的蛋白激酶对的蛋白激酶对SP1SP1的磷酸化的磷酸化作用，激活作用，激活HIVIHIVI基因转录。基因转录。HIVI LTRHIVI LTR的的-28-282424位含有位含有TATATATA元件，其两元件，其两侧还有一个侧还有一个CAXXTGCAXXTG的同向重复序列，该重复的同向重复序列，该重复序列可能是转录因子螺旋序列可能是转录因子螺旋- -环环- -螺旋螺旋DNADNA结合

52、蛋结合蛋白的识别位点。白的识别位点。（3 3）反式激活因子应答元件。在）反式激活因子应答元件。在HIVHIV基因组基因组+1+1+60+60位的核苷酸序列是反式激活因子位的核苷酸序列是反式激活因子（TatTat）激活）激活HIV I HIV I 转录所必需的，称为反式转录所必需的，称为反式激活应答元件（激活应答元件（TARTAR）。该序列存在于）。该序列存在于HIVHIV基基因组因组RNARNA和原病毒和原病毒DNADNA上，是上，是HIV HIV 复制所不可复制所不可缺少的重要调控位点。缺少的重要调控位点。2. 参与参与HIV复制的调控蛋白复制的调控蛋白（1）Tat蛋白蛋白是一个转录激活因子

53、，在是一个转录激活因子，在HIV I、HIV II和和SIV中高度保守，是病毒复制所必需的。中高度保守，是病毒复制所必需的。HIV I的的tat基因与基因与env编码区有部分重叠，它含有两个编码区有部分重叠，它含有两个外显子，编码了由外显子，编码了由101个氨基酸残基组成的个氨基酸残基组成的Tat蛋白。第一个外显子所编码的蛋白。第一个外显子所编码的67个氨基酸个氨基酸组成的多肽同样具有反式激活作用。组成的多肽同样具有反式激活作用。图图9-17 9-17 TatTat蛋白的结构示意图蛋白的结构示意图 Tat蛋白有蛋白有3个功能域：个功能域：与已知转录调控蛋白激活功能区结构基本一致与已知转录调控蛋

54、白激活功能区结构基本一致的酸性氨基酸区，与的酸性氨基酸区，与Tat激活激活HIV I基因表达有基因表达有关；关；富含富含Cys区，有区，有7个个Cys，与二价金属离子结合，与二价金属离子结合并形成并形成Tat二聚体。其中有二聚体。其中有6个是维持个是维持Tat活性活性所必需的，替代任意一个均可使所必需的，替代任意一个均可使Tat失活但不失活但不影响影响Tat与金属离子结合。该肽段能与与金属离子结合。该肽段能与3.0104的寄主细胞核蛋白相结合。的寄主细胞核蛋白相结合。 Tat的第三个功能区由带正电的碱性氨基酸残的第三个功能区由带正电的碱性氨基酸残基构成，行使两个功能：一是基构成，行使两个功能：

55、一是+48+52位的位的GRKKR序列，是核序列，是核-核仁定位信号，可介导核仁定位信号，可介导自身或异种蛋白进入细胞核；二是与自身或异种蛋白进入细胞核；二是与TAR RNA凸出部的特异性结合，通过凸出部的特异性结合，通过Tat第第52和第和第53位位Arg残基与后者的磷酸基团相互作用得以残基与后者的磷酸基团相互作用得以实现。实现。（2）Tat 与与TAR对对HIV复制的协同调控作用复制的协同调控作用实验表明，实验表明，Tat和和TAR结合并不能有效地激活结合并不能有效地激活HIV基因表达：基因表达：a. TAR序列及完整高级结构的影响。序列及完整高级结构的影响。Tat虽能虽能结合环区有突变的

56、结合环区有突变的TAR蛋白，但此时不能激蛋白，但此时不能激活活HIV的表达。的表达。b. 寄主细胞因子协同作用的影响。寄主细胞因子协同作用的影响。在不同细胞内，在不同细胞内，Tat的活性可有上千倍的差异。的活性可有上千倍的差异。Tat与与TBPI结合形成复合体而发挥作用，说明结合形成复合体而发挥作用，说明Tat与与TAR对对HIV复制的调控还需寄主细胞编码复制的调控还需寄主细胞编码蛋白的协同作用。蛋白的协同作用。c. 对上游启动子和增强子的依赖。对上游启动子和增强子的依赖。Tat-TAR功能的发挥依赖于其上游的启动子及功能的发挥依赖于其上游的启动子及增强子，当增强子，当TAR远离上游启动子时，

57、活性迅速远离上游启动子时，活性迅速下降。增强子下降。增强子SP1序列在序列在Tat诱导细胞中对诱导细胞中对HIV转录的促进作用大于非激活细胞。转录的促进作用大于非激活细胞。NF-B序列对两种细胞的作用正好与序列对两种细胞的作用正好与SP1相反。相反。TATA启动子序列的改变对未激活细胞影响很启动子序列的改变对未激活细胞影响很小，却可降低小，却可降低HIV在在Tat诱导细胞中的复制。诱导细胞中的复制。 （3 3）RevRev蛋白。蛋白。revrev基因由两个外显子组成，基因由两个外显子组成，分别编码分别编码2525个氨基酸和个氨基酸和9191个氨基酸的两个肽个氨基酸的两个肽段，最终组装成有段，最

58、终组装成有116116个氨基酸、相对分子质个氨基酸、相对分子质量为量为1.91.910104 4的调控结构蛋白表达活性的的调控结构蛋白表达活性的RevRev蛋白，是一个重要的反式激活因子，调控蛋白，是一个重要的反式激活因子，调控RNARNA剪切和运输，与剪切和运输，与RRERRE结合增加结合增加envenv的翻译。对的翻译。对HIVHIV的许多调控蛋白编码基因有负调控作用，的许多调控蛋白编码基因有负调控作用，对其结构蛋白基因有正调控作用。对其结构蛋白基因有正调控作用。图图9-18 9-18 RevRev蛋白的结构示意图蛋白的结构示意图 RevRev蛋白通过与蛋白通过与envenv和和gag/p

59、ol mRNAgag/pol mRNA上的一段上的一段234234个核苷酸的个核苷酸的RevRev效应元件实现其功能，具效应元件实现其功能，具有有HIVIHIVI特异性。特异性。能增加含有能增加含有RevRev效应原件效应原件RNARNA的稳定性，促进的稳定性，促进它们向细胞质运转，并通过阻碍剪接子的组它们向细胞质运转，并通过阻碍剪接子的组装抑制装抑制RNARNA的编辑，增加这些的编辑，增加这些mRNAmRNA的翻译，促的翻译，促进进HIVHIV基因表达由早期（转录调控蛋白基因表达由早期（转录调控蛋白mRNAmRNA）向晚期（转录向晚期（转录HIVHIV结构蛋白结构蛋白mRNAmRNA）的转变

60、。）的转变。 RevRev蛋白和蛋白和RRERRE（R Rev ev R Response esponse E Elementlement）的结）的结合是通过合是通过RevRev蛋白中富含碱性氨基酸的一段蛋白中富含碱性氨基酸的一段1414肽（肽（EGTRQARNRRRRWREGTRQARNRRRRWR）与）与RRERRE二级结构二级结构IIBIIB茎区茎区特异性结合实现的。特异性结合实现的。RevRev是核蛋白，带有核定是核蛋白，带有核定位信号。位信号。图图9-199-19 RevRev蛋白与蛋白与REEREE区区的结合的结合 。第一个第一个RevRev与与RRERRE的结合有助于其他的结合有