综述：HIV-1 Tat 和 gp120 作为中枢神经系统神经退行性变的关键驱动因素

《Frontiers in Microbiology》：HIV-1 Tat and gp120 as key drivers of neurodegeneration in the central nervous system

　　

联合抗逆转录病毒治疗（cART）显著改变了HIV疾病的治疗方式。cART抑制HIV复制并提高了HIV感染者的预期寿命。尽管cART在控制HIV感染方面有效，但多项观察表明，即使在长期病毒抑制下，15-50%的HIV感染者仍出现HIV相关神经认知障碍（HAND）。中枢神经系统储存库持续产生病毒蛋白Tat和gp120，由于它们具有显著的细胞外稳定性和被神经元及胶质细胞高效摄取的能力，从而驱动慢性神经毒性。在本综述中，研究人员将讨论关于细胞外Tat和gp120如何协调神经退行性变的分子机制的最新证据。出现四个主要相互关联的途径：（i）线粒体功能障碍；（ii）突触树突损伤；（iii）慢性神经炎症；（iv）与阿尔茨海默病（AD）途径的交叉对话。来自体外模型、Tat和gp120转基因小鼠、死后组织以及脑脊液（CSF）生物标志物的汇聚数据表明，这些病毒蛋白有助于在老龄化HIV患者中日益观察到的额纹状体萎缩和混合性HAND-AD表型。理解这些机制凸显了需要针对CXCR4/CCR5信号传导、线粒体质量控制、炎症通路以及Aβ/Tau稳态失调的辅助神经保护策略，并支持在未来的纵向研究中整合多模态神经影像学和CSF蛋白质组学，以改善诊断和治疗开发。

**3 Tat的结构与功能**
反式激活转录蛋白（Tat）是HIV前病毒基因组整合到宿主细胞基因组后成功转录全长HIV RNA的关键因子，通过结合病毒RNA TAR区增强转录延伸。Tat由两个外显子编码，主要产生86（Tat86）和101（Tat101）个氨基酸的异构体，其中Tat101更常见。第一外显子编码1-72氨基酸，包含调控病毒转录的结构域，而第二外显子编码整合素结合区和参与NF-κB活性的区域。Tat蛋白通常由第一外显子编码的多个功能域组成：N端富含脯氨酸的反式激活结构域（残基1-21）、富含半胱氨酸的结构域（残基~22-37）、疏水核心（38-48）、碱性精氨酸富集的RNA结合结构域（~49-59）和谷氨酰胺富集区（~60-72），C端片段来自第二外显子。Tat在HIV复制周期中发挥重要作用，包括重新激活RNA聚合酶II、促进病毒基因转录、刺激mRNA加帽，以及参与逆转录起始和可变剪接调节。Tat还能模拟β-趋化因子功能，招募单核细胞和巨噬细胞，改变细胞骨架，并通过Fas通路暂时延缓细胞凋亡。在抗原提呈细胞（APC）中，Tat通过降低干扰素刺激基因和MHC分子的转录来减少先天免疫激活。Tat通过招募细胞P-TEFb复合物（CDK9/cyclin T1）到HIV长末端重复序列（LTR）启动子中的TAR茎环RNA结构，增强RNA聚合酶II活性，促进病毒RNA延伸。此外，Tat还能诱导宿主细胞衰老样表型，表现为细胞周期停滞标志物p21^CIP1和p16^{INK4 A}、DNA损伤标志物γH2AX、抗凋亡蛋白BCL-2以及衰老相关分泌表型（SASP）表达增加，导致促炎因子持续分泌。Tat还在微胶质细胞中诱导衰老，可能促进慢性炎症和过早老化的CNS微环境。Tat可从受感染细胞中大量释放（约2/3），通过自分泌和旁分泌过程刺激细胞生长和病毒反式激活。胞外Tat能结合多种细胞表面受体，如整合素α5β1、αVβ3、CD26、CCR-2、CCR-3、CD91和VEGF-R1，从而影响多种细胞类型。在CNS中，Tat通过阳离子两亲性特性被神经元和胶质细胞通过内吞或直接膜转位高效摄取，内化后失调宿主基因表达，激活促凋亡通路并调节免疫应答。Tat在CSF中具有显著稳定性，半衰期可达数天，浓度10-100 pM即可激活受体并穿越血脑屏障（BBB）。

**4 gp120的结构与功能**
HIV-1包膜糖蛋白前体gp160被切割为gp120和gp41两个跨膜组分。gp120亚基由五个保守结构域（C1-C5）和五个高变环（V1-V5）组成，形成冠样结构掩蔽保守的受体结合位点。gp120的胞外域含有广泛的N-连接糖基化（约50个聚糖，分子量20-30 kDa），形成保护性聚糖屏障。蛋白折叠成心形核心，包含内域（两螺旋/两股束连接五股β-三明治和V1/V2茎突起）和外域（堆叠的双β-桶），由独特的四股桥接片小域连接。CD4结合位点位于残基365-372，与共受体结合区域（V3环基部决定CCR5/CXCR4嗜性）在CD4结合后经历显著构象重排，暴露桥接片以对接共受体，触发gp41介导的膜融合。糖基化进一步屏蔽表位，调节受体相互作用和稳定性，并使可溶性脱落gp120通过神经元CXCR4/CCR5/整合素/NMDA受体发挥神经毒性作用。gp41亚基包含融合肽域（FP）、N端七肽重复（NHR）、环区、C端七肽重复（CHR）、膜近端外部区域（MPER）、跨膜域（TM）和胞质尾（CT）。MPER富含色氨酸，其保守残基簇的丙氨酸替换会阻断融合孔开放。Tat和gp120均表现出卓越的CSF稳定性（ART后gp120可检测到ng/mL水平，活性在1-10 nM），由两亲性/碱性基序促进BBB转胞吞和细胞摄取，这些特性支撑了它们在HIV神经发病机制中的持续细胞外作用。

**5 进入CNS与细胞摄取**
HIV-1在全身感染后早期（数天至数周）侵入CNS，最被广泛接受的假说是“特洛伊木马”模型：感染的CD4⁺ T细胞和CD14⁺ CD16⁺单核细胞穿越BBB，随后感染驻留血管周巨噬细胞和微胶质细胞，建立持久病毒储存库。尽管ART有效抑制病毒复制，但低水平病毒转录持续存在，导致早期病毒蛋白（包括Tat和gp120，以及较低水平的Nef和Vpr）持续产生，在CSF和脑组织中可检测到。HIV蛋白与神经元和胶质细胞受体（包括CXCR4、CCR5和TLR2/4/8）结合，激活NF-κB依赖的转录通路，上调促炎细胞因子和趋化因子，放大神经炎症。HIV诱导的内皮活化和炎症介质（如TNF-α、IL-1β、IL-6、CCL2）进一步导致BBB功能障碍，破坏紧密连接完整性，增加旁细胞通透性，促进病毒蛋白和感染免疫细胞渗入脑实质。Tat通过高正电荷能量非依赖转位和受体介导内吞（与低密度脂蛋白受体相关蛋白LRP和整合素相互作用）被神经元、星形胶质细胞和微胶质细胞摄取。gp120与CD4、CCR5、CXCR4及其他表面分子相互作用，积累在CNS实质和CSF中，启动下游神经毒性信号。

**6 Tat在多巴胺能系统中的作用**
Tat蛋白影响多巴胺能系统，包括中脑边缘系统和黑质纹状体通路，这些通路源自腹侧被盖区（VTA）和黑质，参与奖赏信号和运动功能。Tat通过蛋白激酶C依赖性机制抑制多巴胺转运体（DAT），改变胞外多巴胺水平，导致异常信号传导。Tat还损害多巴胺摄取，降低DAT表达，并通过蛋白-蛋白相互作用变构调节DAT。此外，Tat促进多巴胺能神经元中的氧化应激和线粒体功能障碍，增加其损伤和凋亡易感性。Tat通过激活微胶质细胞和星形胶质细胞增强神经炎症，进一步损害多巴胺能神经元。Tat还与滥用药物（如可卡因和甲基苯丙胺）协同作用，加剧多巴胺失调和神经元损伤，例如诱导微胶质细胞焦亡，并与可卡因协同引起全基因组DNA甲基化和基因表达变化，影响突触功能、神经炎症和微胶质细胞活性。

**7 神经毒性的分子机制**
胞外Tat和gp120通过四个相互关联的机制促进神经退行性变：（i）线粒体功能障碍；（ii）突触和树突损伤；（iii）慢性神经炎症；（iv）与阿尔茨海默病相关蛋白Aβ和Tau的相互作用。这些机制通过双向反馈相互连接：线粒体功能障碍作为早期上游事件，增加活性氧（ROS）产生，减少ATP可用性，损害突触完整性并激活微胶质应激反应，启动神经炎症；慢性神经炎症通过持续细胞因子驱动的氧化应激放大线粒体损伤，形成自我强化循环；突触树突损伤和AD相关蛋白失调出现在两者下游，由氧化应激、神经炎症介质和线粒体功能衰竭导致的蛋白稳态受损促进Aβ积累和Tau过度磷酸化。

**7.1 线粒体功能障碍**
Tat和gp120直接干扰CNS神经元中的线粒体结构和功能，导致生物能量衰竭、氧化应激和自噬性线粒体清除缺陷。这些病毒蛋白促进动力相关蛋白1（DRP1）从胞质招募到线粒体外膜，导致DRP1寡聚化和线粒体收缩，引起过度线粒体分裂，形成碎片化、点状线粒体，降低能量效率。暴露于Tat和gp120导致部分加工的自噬体积累，自噬流受阻，受损线粒体持续存在，产生ROS并放大易损性，这与突触囊泡减少和记忆障碍有关。gp120结合CXCR4/CCR5和谷氨酸能受体（尤其是N-甲基-D-天冬氨酸受体NMDARs）导致钙内流，线粒体钙超载触发线粒体通透性转换孔（mPTP）开放，膜电位消散，ATP合成抑制，释放促凋亡因子如细胞色素c。Tat和gp120还通过减少cAMP反应元件结合蛋白（CREB）激活和下游线粒体生物发生主调节因子PGC-1α的表达，损害健康线粒体的生成、维持和正确轴突靶向。细胞内Tat还能通过降低mtDNA转录、改变线粒体动力学和诱导代偿性线粒体生物发生来损害线粒体功能，全长Tat异构体（含第二外显子）作用更强。

**7.2 突触和树突损伤**
突触树突损伤是HAND认知障碍的关键要素。Tat/gp120暴露通过增加胞外谷氨酸水平和失调其清除，导致持续兴奋毒性应激。gp120增强谷氨酸释放并上调NMDAR表达，Tat损害星形胶质细胞谷氨酸摄取，导致慢性兴奋毒性刺激。持续NMDAR激活扰动钙稳态，触发下游信号级联，破坏突触结构并促进树突棘丢失。神经元通过突触缩放进行代偿，Tat激活NMDA受体，触发下游Akt信号和E3泛素连接酶Mdm2激活，导致NMDA受体水平代偿性降低。gp120也增加皮质神经元中Mdm2表达。通过Mdm2，Tat和gp120降低关键突触前和突触后蛋白水平，包括突触素和支架蛋白突触后密度蛋白-95（PSD-95），削弱皮质和海马神经元树突棘，减少兴奋性突触密度，扰乱谷氨酸能传递。Tat和gp120还通过破坏神经营养因子信号和细胞骨架组织损害突触可塑性。gp120将神经营养因子信号转向促脑源性神经营养因子（pro-BDNF）和p75神经营养因子受体（p75NTR），促进长期抑制（LTD）。gp120降低furin水平（将pro-BDNF转化为成熟形式）并增加p75NTR表达，pro-BDNF积累增强LTD相关NR2B调节，通过p75NTR激活减少树突复杂性和棘密度。Tat通过干扰肌动蛋白重塑和突触后支架，削弱树突棘结构完整性，微胶质细胞慢性暴露于Tat促进释放富含炎症介质和补体成分的胞外囊泡，增强异常突触修剪。

**7.3 慢性神经炎症**
慢性神经炎症是HAND中持续的低度脑免疫细胞激活，即使在有效ART下也维持神经元损伤。Tat和gp120与微胶质细胞、星形胶质细胞和脑内皮细胞上的趋化因子受体（CCR5、CXCR4）和Toll样受体（TLRs）结合，启动细胞内炎症级联。TLR4激活通过NF-κB上调促炎细胞因子（TNF-α、IL-1β、IL-6）。NLRP3炎症小体是关键放大器，Tat以剂量和时间依赖方式激活微胶质细胞中NLRP3，通过抑制miR-223（NLRP3翻译的转录后抑制因子）增加NLRP3可用性并敏化微胶质细胞。gp120通过CXCR4刺激Kv1.3钾通道，促进K⁺外流，触发NLRP3组装和caspase-1激活。Tat还通过线粒体应激释放损伤相关分子模式（ROS、线粒体DNA），形成正反馈循环。慢性神经炎症与CNS中HIV潜伏期双向相关：潜伏感染微胶质细胞维持低水平Tat和gp120，保持微胶质反应性；促炎细胞因子（TNF-α、IL-1β）激活NF-κB，触发前病毒再激活，更新Tat和gp120产生。健康神经元通过CX3CL1和CD200信号抑制潜伏感染微胶质细胞中HIV转录，受损神经元失去这种抑制能力并直接诱导前病毒再激活。慢性IFN-I信号也参与HAND相关神经炎症，持续IFN-I激活促进干扰素刺激基因（ISGs）表达，驱动补体介导的突触丢失，并与临床痴呆严重程度和AD相关神经病理学正相关。

**7.4 Tat和gp120与阿尔茨海默相关蛋白Aβ和Tau的相互作用**
Tat和gp120通过与AD相关通路相互作用，加速Aβ积累、Tau过度磷酸化，并在老龄化HIV感染者中形成混合性HAND-AD表型。Tat直接结合神经元表面的APP胞外域，改变其膜运动，将其重新定位到富含胆固醇和鞘脂的脂筏中，其中β-分泌酶（BACE1）和γ-分泌酶富集。Tat通过脂筏依赖信号和氧化应激增强BACE1催化活性和γ-分泌酶膜招募，显著增加Aβ1-42生成。gp120通过结合CXCR4和CCR5，触发细胞内信号增加钙内流、激活MAPK通路、促进氧化应激，上调BACE1表达和活性，增强γ-分泌酶依赖加工，将APP代谢转向淀粉样蛋白生成途径。gp120还扰动脂筏组成和膜胆固醇分布，间接促进APP和分泌酶招募到筏微域。Tat和gp120还损害Aβ清除：Tat破坏低密度脂蛋白受体相关蛋白1（LRP1）介导的Aβ外排，减少Aβ从脑到外周运输；gp120下调关键Aβ降解酶（neprilysin和IDE），减少蛋白水解清除；慢性神经炎症诱导微胶质细胞功能失调和促炎状态，降低吞噬能力，进一步损害Aβ去除。Tat通过钙失调、氧化应激和NMDA受体增强激活多种激酶级联（CDK5、GSK3β、ERK1/2、p38 MAPK），导致Tau在AD相关表位过度磷酸化，降低微管亲和力，引起细胞骨架不稳定、轴突运输受损和可溶性聚集倾向Tau增加。Tat还干扰磷酸酶活性（特别是PP2A），进一步使磷酸化平衡转向致病性Tau状态。gp120通过CXCR4和CCR5放大这些效应，激活GSK3β和CDK5，诱导线粒体功能障碍和ROS产生，促进Tau磷酸化和切割。Tat和gp120均促进calpain激活，产生N端截短的Tau片段，具有增强的聚集倾向和神经毒性，通过钙内流通过过度激活的NMDA受体驱动持续ERK1/2激活、CREB关闭和Tau蛋白水解切割，形成正反馈循环。

**8 HAND的临床与临床前证据及其与AD的趋同**
尽管ART进步，HAND仍然普遍，老龄化HIV感染者（PLWH）中症状性HAND发生率更高，可能由累积合并症和持续神经炎症驱动。年龄相关的脑废物清除机制（包括类淋巴系统和脑膜淋巴系统）受损可能通过减少胞外病毒蛋白（如Tat和gp120）清除，延长其CNS持续性和神经毒性。根据Frascati标准，HAND分为无症状神经认知障碍（ANI）、轻度神经认知障碍（MND）和HIV相关痴呆（HAD），表现为执行功能、处理速度和情景记忆缺陷，与AD的遗忘优势模式不同。CSF生物标志物显示：神经丝轻链（NfL）在认知障碍PLWH中持续升高，与白质损伤和全局认知下降相关；Tau生物标志物呈现更细微模式，总Tau（t-Tau）和磷酸化Tau（p-Tau181）在HAND中可升高，但p-Tau/t-Tau比率通常低于AD，提示不同磷酸化模式；CSF Aβ42在老龄化HAND队列中常降低，类似AD，但Aβ42/Aβ40比率诊断区分力较弱，表明HAND中淀粉样蛋白失调可能机制不同。神经影像学发现：结构性和功能性MRI常见HIV感染患者皮层下和额纹状体受累，以及大规模认知网络改变；分子PET成像在部分认知障碍老年HIV患者中显示β-淀粉样蛋白配体结合增加或非典型结合，如[18F]florbetaben PET阳性率20%，Aβ和Tau在AD典型区域（后扣带回、颞上回、额叶皮层）升高。临床前模型：Tat转基因小鼠（GFAP驱动诱导表达）显示突触丢失、树突简化、Morris水迷宫认知缺陷，BBB通透性增加和微胶质细胞激活；gp120脑内注射导致剂量和时间依赖的NMDAR超敏反应和兴奋毒性，通过突触外NR2B受体增加EPSC和mEPSC频率及细胞内钙，同时伴随神经炎症和神经元丢失。HIV-1促进BBB衍生的胞外囊泡（ECVs）富含Aβ，星形胶质细胞和周细胞摄取后促进血管周淀粉样蛋白沉积。微胶质细胞NLRP3炎症小体激活（由gp120或Aβ触发）通过IL-1β依赖信号和激酶CaMKIIα（Thr286）和GSK-3β（Tyr216）驱动Tau过度磷酸化。Tat直接通过其富含半胱氨酸结构域与APP相互作用，招募APP到脂筏，增强β-分泌酶切割，使β-CTF升高五倍，Aβ42水平升高。PSAPP/Tat双转基因小鼠显示加速的斑块和缠结形成以及认知表现恶化。

**9 体内和体外模型在Tat和gp120驱动神经退行性变中的优势与局限性**
体外模型便于分析Tat和gp120的直接神经毒性效应，包括胶质细胞激活、氧化应激、线粒体功能障碍、突触改变和神经炎症信号，具有高重现性和低成本，但无法完全再现细胞间相互作用、血管成分、免疫应答或CNS完整解剖结构，也无法模拟慢性病毒感染、BBB动力学和HAND长期进展。体内模型有助于研究生理环境下多种CNS细胞类型在神经血管和免疫环境中的相互作用，阐明细胞间和细胞与免疫应答的复杂相互作用，评估长期暴露于病毒蛋白的影响、BBB功能障碍和慢性炎症在疾病进展中的作用，但无法完全再现人类HIV神经发病机制，因物种特异性免疫应答、病毒嗜性、神经元生物学差异以及啮齿动物无法支持生产性HIV-1感染，且转基因模型常依赖单个病毒蛋白的组成性或人工表达，可能无法准确反映生理水平或时间调控。

**10 结论**
胞外HIV-1 Tat和gp120蛋白是HIV感染者CNS神经退行性变的持续驱动因素，即使在有效cART下也是如此，通过线粒体功能障碍、突触树突损伤、慢性神经炎症和与AD相关条件的相似性等相互关联过程实现。这些病毒蛋白从长期CNS储存库释放，通过受体介导信号、蛋白稳态失调和自我强化炎症循环持续引起神经毒性，导致老龄化HIV感染者中HAND高发。靶向Tat和gp120通路的策略，如NLRP3抑制剂、DRP1调节剂或增强清除的方法，为减轻认知衰退和混合性HAND-AD症状提供了有前景的治疗选择。但一个主要障碍是所有辅助策略的CNS药物穿透性：即使体外效力强的化合物也可能因BBB限制而无法达到脑实质治疗浓度，这一局限性不能仅通过ART诱导的病毒抑制解决。解决这一挑战，同时深入理解Tat和gp120在CNS储存库中维持神经退行性变的机制，对于将本综述确定的治疗靶点转化为HIV感染者的有效干预措施至关重要。