人類免疫缺陷病毒1型（HIV-1）是獲得性免疫缺陷綜合征（AIDS）的病原體，自1981年首例病例被報(bào)道以來，始終是全球公共衛(wèi)生面臨的重大挑戰(zhàn)。截至目前，HIV-1已導(dǎo)致約4230萬人死亡，每年仍有超過100萬人新增感染。盡管抗病毒治療已取得顯著進(jìn)展，但至今尚無方法能夠徹底清除體內(nèi)的病毒，實(shí)現(xiàn)根治。HIV-1之所以頑固難除，一個(gè)關(guān)鍵原因在于其能夠?qū)⒆陨淼倪z傳物質(zhì)整合進(jìn)宿主細(xì)胞的DNA中，尤其是在CD4+T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中，從而建立起終身持續(xù)的感染狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，病毒需將被稱為“病毒核心”（viral core）的結(jié)構(gòu)穿過高度受控的核孔復(fù)合體（nuclear pore complex,NPC）從而進(jìn)入細(xì)胞核【1】。然而，HIV-1是如何穿越這一精密屏障的機(jī)制，哪些因素影響了這一過程以及如何影響，長(zhǎng)期以來一直未被完全揭示。

2025年7月7日，牛津大學(xué)章佩君教授團(tuán)隊(duì)的侯震博士和申瑤博士及其合作者在Nature Microbiology雜志發(fā)表了文章“HIV-1 nuclear import is selective and depends on both capsid elasticity and nuclear pore adaptability”。該研究開創(chuàng)性地捕捉到了大量HIV-1病毒核心穿越NPC的真實(shí)過程以及首次捕捉到了進(jìn)入細(xì)胞核之后正在解離的病毒核心，揭示了病毒進(jìn)入細(xì)胞核所需的“剛?cè)岵?jì)”機(jī)制，并建立了一個(gè)高度可控的原位冷凍成像系統(tǒng)，為深入研究病毒復(fù)制周期中關(guān)鍵但神秘的“入核步驟”提供了新工具與新思路（圖1）。

圖1：基于該研究主要發(fā)現(xiàn)的模型圖示。

在普通感染體系中, HIV-1穿越NPC的事件極其罕見且短暫，難以觀測(cè)。此前的研究多依賴間接指標(biāo)，尚無法在納米尺度下捕捉病毒核心在穿越核孔前、中、后的真實(shí)形態(tài)及其與宿主因子的相互作用。

為了破解這一難題，該研究團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)可滲透細(xì)胞模型系統(tǒng)，在保持核膜及核孔復(fù)合物完整的條件下，將大量純化的、熒光標(biāo)記的HIV-1核心體導(dǎo)入去除了細(xì)胞膜的T細(xì)胞（CEM細(xì)胞系）中，并通過添加兔網(wǎng)織紅細(xì)胞裂解液和能量系統(tǒng)以恢復(fù)接近“原生”狀態(tài)的核進(jìn)口環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一套高度集成的冷凍相關(guān)成像流程 (cryo-correlative workflow), 其結(jié)合了冷凍光電關(guān)聯(lián)顯微技術(shù) (cryo-CLEM), 冷凍聚焦離子束(cryo-FIB)以及冷凍電子斷層成像(cryo-ET)。通過這套技術(shù)體系，團(tuán)隊(duì)共捕捉到接近1500個(gè)HIV-1病毒核心，并按其空間位置和入核進(jìn)程，劃分為“接近”、“對(duì)接”、“穿越”、“入核”四個(gè)階段，從而實(shí)現(xiàn)了病毒核進(jìn)口全過程的可視化與定量統(tǒng)計(jì)分析。在對(duì)野生型的病毒核心的分析顯示體積較小，形狀為管狀的病毒核心更容易被NPC選擇性“放行”。

此外，之前研究表明，HIV-1的衣殼結(jié)構(gòu)需具備一定的彈性，才能順利穿越僅45納米內(nèi)徑的核孔。這一點(diǎn)在兩個(gè)突變體中得到了驗(yàn)證：E45A突變體 (衣殼結(jié)構(gòu)剛性增加)：絕大多數(shù)在NPC前“堵車”，無法進(jìn)入; E45A/R132T二重突變體 (部分恢復(fù)彈性)，進(jìn)核能力顯著增強(qiáng)。這些結(jié)果清楚地指出：衣殼缺乏彈性會(huì)被核孔“拒之門外”，而彈性足夠的病毒核心則可以順利通過NPC。

更有趣的是，通過對(duì)比分析核孔在有無病毒核心進(jìn)入條件下的三維結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)成功被病毒穿越的NPC普遍發(fā)生了輕微擴(kuò)張（約2納米），大約50%被HIV-1病毒核心占據(jù)的NPC發(fā)生了結(jié)構(gòu)變形，表明其具有一定的可塑性和協(xié)同機(jī)制， 部分NPC甚至出現(xiàn)亞單位對(duì)稱性扭曲，以容納衣殼進(jìn)入。這說明，HIV-1穿越核孔是一個(gè)“雙向適應(yīng)”的過程：不僅病毒核心需具有彈性，核孔也需擴(kuò)張、調(diào)節(jié)，二者“相互配合”完成穿越。值得一提的是，該研究發(fā)現(xiàn)的NPC的形變與之前發(fā)表在Cell上的文章結(jié)論并不相同，后者認(rèn)為NPC在HIV-1穿越核孔時(shí)發(fā)生了劇烈的變化而裂開，但其結(jié)論主要依賴模擬仿真【2】，但本文作者通過直接測(cè)算并對(duì)比被HIV-1病毒核心占據(jù)的NPC以及空的NPC，認(rèn)為NPC僅發(fā)生了形變，未達(dá)到裂開的程度。

NPC對(duì)HIV-1具有很強(qiáng)的親和性，但進(jìn)入NPC之后的HIV-1病毒核心是如何逃離NPC的呢？先前的生化以及熒光顯微鏡研究表明切割和聚腺苷酸化特異性因子6 （CPSF6)與HIV-1衣殼的結(jié)合會(huì)影響其病毒核心進(jìn)入細(xì)胞核的過程且對(duì)之后的基因整合位置也有顯著的影響。該研究首次直接在納米尺度上觀察到病毒衣殼與核因子（如CPSF6）的結(jié)合，在成功進(jìn)入細(xì)胞核的HIV-1核心體周圍，首次清晰觀察到額外的“包裹性密度”，通過斷層平均法(Subtomogram averaging, STA), 進(jìn)入細(xì)胞核的衣殼蛋白上明顯出現(xiàn)了一層額外的電子密度，且其空間位置與CPSF6蛋白在體外冷凍電鏡圖像中的結(jié)合位點(diǎn)高度一致。這一發(fā)現(xiàn)提示：CPSF6等核因子很可能參與病毒核心的核內(nèi)運(yùn)輸，甚至影響其最終整合位置；若病毒突變（如N74D）失去CPSF6結(jié)合能力，則盡管能夠進(jìn)入NPC，卻無法順利脫離或深度穿透，造成“滯留”或“半途而廢”。

綜上所述，本研究在可視化HIV感染最關(guān)鍵階段及理解其可能被阻斷的機(jī)制方面，邁出了重要的一步。并對(duì)抗病毒策略具有深遠(yuǎn)的意義，為深入探索病毒進(jìn)入細(xì)胞核后的一系列事件，尤其是其如何去除衣殼并整合至宿主基因組，開辟了全新的研究方向。此外，本研究建立的系統(tǒng)與工作流程也為多種具有廣泛生物學(xué)意義的核內(nèi)過程提供了強(qiáng)有力的原位分析系統(tǒng)。

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

參考文獻(xiàn)：

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.

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