Nat Microbiol | 揭开HIV-1穿越核孔的神秘面纱

人类免疫缺陷病毒1型（HIV-1）是获得性免疫缺陷综合征（AIDS）的病原体，自1981年首例病例被报道以来，始终是全球公共卫生面临的重大挑战。截至目前，HIV-1已导致约4230万人死亡，每年仍有超过100万人新增感染。尽管抗病毒治疗已取得显著进展，但至今尚无方法能够彻底清除体内的病毒，实现根治。HIV-1之所以顽固难除，一个关键原因在于其能够将自身的遗传物质整合进宿主细胞的DNA中，尤其是在CD4+T细胞和巨噬细胞中，从而建立起终身持续的感染状态。为实现这一目标，病毒需将被称为“病毒核心”（viral core）的结构穿过高度受控的核孔复合体（nuclear pore complex,NPC）从而进入细胞核【1】。然而，HIV-1是如何穿越这一精密屏障的机制，哪些因素影响了这一过程以及如何影响，长期以来一直未被完全揭示。

2025年7月7日，牛津大学章佩君教授团队的侯震博士和申瑶博士及其合作者在Nature Microbiology杂志发表了文章“HIV-1 nuclear import is selective and depends on both capsid elasticity and nuclear pore adaptability”。该研究开创性地捕捉到了大量HIV-1病毒核心穿越NPC的真实过程以及首次捕捉到了进入细胞核之后正在解离的病毒核心，揭示了病毒进入细胞核所需的“刚柔并济”机制，并建立了一个高度可控的原位冷冻成像系统，为深入研究病毒复制周期中关键但神秘的“入核步骤”提供了新工具与新思路（图1）。

图1：基于该研究主要发现的模型图示。

在普通感染体系中, HIV-1穿越NPC的事件极其罕见且短暂，难以观测。此前的研究多依赖间接指标，尚无法在纳米尺度下捕捉病毒核心在穿越核孔前、中、后的真实形态及其与宿主因子的相互作用。

为了破解这一难题，该研究团队建立了一个可渗透细胞模型系统，在保持核膜及核孔复合物完整的条件下，将大量纯化的、荧光标记的HIV-1核心体导入去除了细胞膜的T细胞（CEM细胞系）中，并通过添加兔网织红细胞裂解液和能量系统以恢复接近“原生”状态的核进口环境。在此基础上，研究团队开发出一套高度集成的冷冻相关成像流程 (cryo-correlative workflow), 其结合了冷冻光电关联显微技术 (cryo-CLEM), 冷冻聚焦离子束(cryo-FIB)以及冷冻电子断层成像(cryo-ET)。通过这套技术体系，团队共捕捉到接近1500个HIV-1病毒核心，并按其空间位置和入核进程，划分为“接近”、“对接”、“穿越”、“入核”四个阶段，从而实现了病毒核进口全过程的可视化与定量统计分析。在对野生型的病毒核心的分析显示体积较小，形状为管状的病毒核心更容易被NPC选择性“放行”。

此外，之前研究表明，HIV-1的衣壳结构需具备一定的弹性，才能顺利穿越仅45纳米内径的核孔。这一点在两个突变体中得到了验证：E45A突变体 (衣壳结构刚性增加)：绝大多数在NPC前“堵车”，无法进入; E45A/R132T二重突变体 (部分恢复弹性)，进核能力显著增强。这些结果清楚地指出：衣壳缺乏弹性会被核孔“拒之门外”，而弹性足够的病毒核心则可以顺利通过NPC。

更有趣的是，通过对比分析核孔在有无病毒核心进入条件下的三维结构，研究发现成功被病毒穿越的NPC普遍发生了轻微扩张（约2纳米），大约50%被HIV-1病毒核心占据的NPC发生了结构变形，表明其具有一定的可塑性和协同机制， 部分NPC甚至出现亚单位对称性扭曲，以容纳衣壳进入。这说明，HIV-1穿越核孔是一个“双向适应”的过程：不仅病毒核心需具有弹性，核孔也需扩张、调节，二者“相互配合”完成穿越。值得一提的是，该研究发现的NPC的形变与之前发表在Cell上的文章结论并不相同，后者认为NPC在HIV-1穿越核孔时发生了剧烈的变化而裂开，但其结论主要依赖模拟仿真【2】，但本文作者通过直接测算并对比被HIV-1病毒核心占据的NPC以及空的NPC，认为NPC仅发生了形变，未达到裂开的程度。

NPC对HIV-1具有很强的亲和性，但进入NPC之后的HIV-1病毒核心是如何逃离NPC的呢？先前的生化以及荧光显微镜研究表明切割和聚腺苷酸化特异性因子6 （CPSF6)与HIV-1衣壳的结合会影响其病毒核心进入细胞核的过程且对之后的基因整合位置也有显著的影响。该研究首次直接在纳米尺度上观察到病毒衣壳与核因子（如CPSF6）的结合，在成功进入细胞核的HIV-1核心体周围，首次清晰观察到额外的“包裹性密度”，通过断层平均法(Subtomogram averaging, STA), 进入细胞核的衣壳蛋白上明显出现了一层额外的电子密度，且其空间位置与CPSF6蛋白在体外冷冻电镜图像中的结合位点高度一致。这一发现提示：CPSF6等核因子很可能参与病毒核心的核内运输，甚至影响其最终整合位置；若病毒突变（如N74D）失去CPSF6结合能力，则尽管能够进入NPC，却无法顺利脱离或深度穿透，造成“滞留”或“半途而废”。

综上所述，本研究在可视化HIV感染最关键阶段及理解其可能被阻断的机制方面，迈出了重要的一步。并对抗病毒策略具有深远的意义，为深入探索病毒进入细胞核后的一系列事件，尤其是其如何去除衣壳并整合至宿主基因组，开辟了全新的研究方向。此外，本研究建立的系统与工作流程也为多种具有广泛生物学意义的核内过程提供了强有力的原位分析系统。

https://www.nature.com/articles/s41564-025-02054-z

参考文献：

1.Zila, Vojtech, et al. "Cone-shaped HIV-1 capsids are transported through intact nuclear pores." Cell 184.4 (2021): 1032-1046.

2.Kreysing, Jan Philipp, et al. "Passage of the HIV capsid cracks the nuclear pore." Cell 188.4 (2025): 930-943.

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐