PNAS：新研究揭示出5种HIV潜伏促进剂，为功能性治愈HIV奠定基础
在感染人体后，人类免疫缺陷病毒（HIV，俗称艾滋病病毒）会进入一种长时间的不活跃的潜伏状态，在免疫细胞中形成一种潜伏的病毒库。这种潜伏状态可能会持续到基因表达的随机波动（或者说噪音），或者活化细胞因子或抗原的存在会触发这种病毒的重新激活。感染者需要终身服用抗逆转录病毒药物（ART）来控制这种病毒。
在治疗停止后，潜伏感染的T细胞中的HIV自发重新激活仍然是治愈HIV的主要障碍。重新激活和清除这种潜伏病毒库的疗法仅部分有效，而用于抑制重新激活和稳定化这种潜伏状态的潜伏促进剂（latency-promoting agent, LPA）仍未得到充分研究，它们的作用机制也缺乏多样性。
在一项新的研究中，来自美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员扩展了以前报道的基于流式细胞仪的HIV LTR启动子药物筛选，并利用自动时间推移荧光显微镜，能够测量最小HIV正向自调节基因回路上的噪声幅度（CV2）和噪声自律半衰期（τ1/2）。他们筛选了能够调控CV2和τ1/2的化合物。接下来，调节噪声的化合物在潜伏感染的全长HIV构建体上用流式细胞仪进行测试，以衡量它们在促进HIV潜伏的潜力。相关研究结果近期发表在PNAS期刊上，论文标题为“Screening for gene expression fluctuations reveals latency-promoting agents of HIV”。
他们发现了三种LPA，其中的两种已被证明与抑制硫氧还蛋白/硫氧还蛋白还原酶（Trx/TrxR）氧化还原途径有关。然后，他们测试了多种抑制Trx/TrxR途径的化合物，并发现了另外两种LPA候选物。他们总共提出了五种抑制HIV的化合物，从而扩大了供研究界使用的LPA数量。在发现的五种LPA中，有一种获得美国食品药品管理局（FDA）批准，并且可以在市场上买到。
图1.利用时间推移荧光显微镜对最小HIV基因回路进行基因表达噪声药物筛选。图片来自PNAS, 2021, doi:10.1073/pnas.2012191118。
越来越多的高通量显微镜技术能够捕捉具有精细的时间分辨率的图像，这可能会加快利用基因表达动态变化和τ1/2作为筛选标准，发现针对HIV或其他疾病的药物。CV2和τ1/2代表平均基因表达水平变化的正交轴（图1）。因此，基于单细胞动态变化的噪声药物筛选产生的化合物在研究平均基因表达水平和群体平均值的传统筛选中会被忽略掉。虽然τ1/2无法预测药物是否为LPA，但这种噪声药物筛选仍然将1805种药物缩小到115种噪声调节剂，并大大减少了潜伏逆转实验所需的研究工作。
图2.潜伏逆转实验发现三种成功抑制HIV重新激活的LPA化合物。图片来自PNAS, 2021, doi:10.1073/pnas.2012191118。
这些作者从调查的115种噪声调节剂中发现了3种LPA。在发现的3种LPA中，有两种与抑制Trx/TrxR途径有关：NSC 401005(D75)与已被证明能抑制TrxR的pleurotine在结构上表现出高度的相似性；NSC 400938(D35)已被证明能抑制硫氧还蛋白谷胱甘肽还原酶，即一种在曼氏血吸虫中发现的具有TrxR活性结构域的融合蛋白。这进一步导致了在Trx/TrxR抑制剂家族中又发现了两种LPA：PX12和tiopronin（图3）。
图3.潜伏逆转实验测试硫氧还蛋白还原酶抑制剂pleurotine。图片来自PNAS, 2021, doi:10.1073/pnas.2012191118。
值得注意的是，并不是所有Trx/TrxR抑制剂都能抑制潜伏HIV的重新激活，但是这些作者在这项研究中提出了一些HIV抑制剂，以促使进一步研究。Trx/TrxR抑制剂在最近的研究中也被提出具有治疗HIV的潜力。就目前而言，发现的LPA是否能在表观遗传学上和在停用ART药物后抑制HIV的表达仍是未知数。除了3种LPA之外，34种噪声调节剂与TNF-α协同发挥作用，促进潜伏的HIV重新激活（图2A）。这些化合物可能扩展了目前已知的用于“激活并杀死（shock and kill）”治疗策略的LRA和LRA-LRA协同剂混合物的数量，但还需开展进一步的研究，以证实它们在原代细胞模型中的功效。此外，作为对照，非噪声调节剂在促进HIV潜伏中表现出活性大幅降低，这表明CV2和τ1/2是适合药物筛选工作的指标，因为在药物筛选工作中，噪声调节剂与LRA协同剂和LPA富集。
由此可见，这项研究总共发现了5种LPA，即NSC 400938、NSC 401005、NSC 155703和两种属于Trx/TrxR抑制剂的药物，即PX12和tiopronin，以扩大目前的LPA分子库。值得注意的是，NSC 401005显示出与Trx/TrxR抑制剂的结构相似性，NSC 400938显示出与Trx/TrxR抑制剂的功能相似性。NSC 155703已被证明能抑制IL1β的分泌，其中IL1β是一种促炎因子，它的产生已被证明因HIV感染而增强。Trx/TrxR家族中的一些抑制剂，包括tiopronin和auranofin，已获FDA批准并可在市场上买到。它们已被广泛应用，从皮肤护理到抗癌治疗，从而使得对它们进行深入的研究具有吸引力。TrxR抑制剂化合物已被充分研究，而且氧化还原失衡与HIV疾病的进展直接相关。
图4.LPA组合使用在较低浓度时抑制HIV在Jurkat细胞系JLat 9.2中的重新激活。图片来自PNAS, 2021, doi:10.1073/pnas.2012191118。
此外，氧化应激与HIV感染有关，最近的研究支持靶向Trx/TrxR轴来抑制HIV重新激活的潜力。Trx/TrxR抑制剂在长期ART治疗的患者样本中作为LPA的表现如何还有待观察。尽管较高的预优化治疗浓度导致细胞死亡（图2和3），LPA联合治疗具有进一步降低抑制HIV重新激活所需浓度的潜力（图4）。相对于ART药物的给送和/或停用，“激活并杀死”治疗策略将需要优化治疗浓度、时间选择和持续时间。
有趣的是，这项研究中所研究的两种Trx/TrxR抑制剂，即PX12和tiopronin，连同NSC 401005和NSC 400938，当与TNF-α一起添加时，在百分比重新激活方面表现出剂量依赖性反应。这些化合物在较低浓度时与TNF-α协同作用，而在较高浓度时则抑制TNF-α重新激活。Trx/TrxR氧化还原途径控制还原的NF-κB和氧化的Tat水平，这两者都影响HIV LTR启动子的转录效率。在Trx与TrxR结合的亲和力高于Tat的假设下，这些作者提出了一个理论模型来解释这种剂量依赖性行为。因此，这些Trx/TrxR氧化还原抑制剂可能为旨在控制潜伏前病毒（provirus）稳定性的HIV研究提供新的目标和机会。
目前严格抑制HIV表达的主要化合物是dCA（didehydro-Cortistatin A），它通过阻断Tat-TAR相互作用和抑制Tat正反馈发挥作用。虽然ART和dCA的联合使用可以大幅延缓和减少患者样本中ART治疗停用后的病毒反弹，但是已经发现能够在dCA治疗下保持强健表达的抵抗性HIV突变毒株。鉴于这项研究报道的LPA并不具有相同的作用机制，测试这些LPA与dCA联合使用是否能增强抑制作用以进一步改善“激活并杀死”治疗策略将是有趣的。总之，这项研究的发现及其对用于“激活并杀死”治疗策略的化合物的扩展，可能最终为HIV感染者提供有效、安全和可扩展的功能性治愈。
参考资料：
Yiyang Lu et al. Screening for gene expression fluctuations reveals latency-promoting agents of HIV. PNAS, 2021, doi:10.1073/pnas.2012191118.