唯一在内质网出芽的逆转录病毒——泡沫病毒
今天要介绍的是唯一在内质网出芽的逆转录病毒——泡沫病毒(Spumavirus)。当然，这也是逆转录病毒章的收尾。
简介
泡沫逆转录病毒，通常称为泡沫病毒（spuma，拉丁语为“泡沫”），是逆转录病毒家族的一个分支。泡沫病毒是外源性病毒，具有特定的形态和突出的表面尖峰。 病毒粒子包含大量双链全长 DNA，在这些病毒中组装相当不寻常。 泡沫病毒与大多数包膜病毒不同，她是通过内质网而不是细胞膜出芽而获得的。 一些泡沫病毒，例如马泡沫病毒 (EFV)，从细胞质膜出芽。
虽然在体外，泡沫病毒会在其宿主细胞中形成特征性的多空泡结构，但在体内没有疾病关联。泡沫病毒的典型毒株是猿猴泡沫病毒(Simian Foamy Virus)，以下均以猴泡沫病毒为例。
猴泡沫病毒
猴泡沫病毒 (SFV) 是泡沫病毒的一种，属于逆转录病毒家族。它已在多种灵长类动物中得到鉴定，包括猿、新世界和旧世界猴以及原猴，并且每个物种都已显示出具有独特的（物种特异性）SFV 菌株，包括非洲绿猴 、狒狒、猕猴和黑猩猩。由于它与更为人熟知的逆转录病毒人类免疫缺陷病毒 (HIV) 相关，它在灵长类动物中的发现引发了一些猜测，即 HIV 可能是通过接触猿、猴和其他动物的血液传播给非洲的人类物种的。 灵长类动物，最有可能是通过里予口未传播。
结构
SFV 是一种球形、有包膜的病毒，直径范围为80-100 nm。细胞受体尚未被表征，但假设它具有几乎无处不在的分子结构，因为允许感染的细胞范围很广。
作为逆转录病毒，SFV具有以下结构特征：
包膜：由取自脂质双层的磷脂组成，在这种情况下是内质网。额外的糖蛋白是从 env 基因合成的。包膜保护病毒内部免受环境影响，并通过与允许细胞的膜融合而使其进入。
RNA：携带蛋白质生产代码以产生额外病毒颗粒的遗传物质。
蛋白质：由 GAG蛋白质、蛋白酶 (PR)、POL蛋白质和ENV蛋白质组成。其中，群特异性抗原 (GAG) 蛋白是病毒衣壳的主要成分。
蛋白酶在病毒体成熟过程中进行蛋白水解切割，以制造成熟的GAG和POL蛋白。经蛋白酶之手，p71(GAG前蛋白)经剪切，形成p68(GAG)与p3。
p127(POL)经过自我剪切后，形成p85(PR/RT/RH)与p40(IN)。POL蛋白负责合成病毒 DNA 并在感染后整合到宿主 DNA 中。
病毒粒子进入宿主细胞需要ENV蛋白。逆转录病毒使用特定细胞表面受体结合其靶宿主细胞的能力是由 Env 蛋白的表面成分 (SU) 赋予的，而逆转录病毒通过膜融合进入细胞的能力是由膜赋予的-锚定跨膜组分（TM）。ENV蛋白的缺乏或缺陷使病毒不具有传染性。
大约 20% 的泡沫病毒包含 dsDNA 基因组。 这是泡沫病毒的一个独特特征——病毒基因组 RNA 的逆转录开始发生在释放之前，而不是像其他逆转录病毒那样在新宿主细胞进入之后。
病毒基因组
作为逆转录病毒，其基因组是正义单链 RNA，它通过使用逆转录酶形成双链 DNA 中间体。 RNA 链长约12kb，带有5'帽和3'poly-A 尾。 2016 年 12 月首次对从食蟹猴中分离的前病毒 SFV 进行了全基因组注释，除了GAG、POL和ENV的结构序列外，它还揭示了两个调控序列TAS和bet。在5'和3'端有两个长约600个核苷酸的长末端重复序列 (LTR) 作为启动子，另外一个内部启动子 (IP) 位于ENV的3'端附近。LTRs 包含 U3、R 和 U5 区域，这些区域是逆转录病毒的特征。在 5' 端还有一个引物结合位点 (PBS)，在 3' 端有一个多聚嘌呤元件 (PPT)。
GAG、POL 与ENV在整个逆转录病毒中都是保守的，而TAS基因是独一无二的，仅在泡沫病毒发现。它编码 LTR 启动子和 IP 转录所需的反式激活蛋白。合成的TAS蛋白最初被称为 BEL-1，是一种 36kDa 的磷蛋白，在其C'端包含一个酸性转录激活域和一个位于中心的 DNA 结合域。
bet蛋白是病毒复制所必需的，因为它通过阻止 APOBEC3 家族防御因子掺入病毒粒子来抵消它们的先天抗逆转录病毒活性。
复制过程
细胞入侵
病毒通过 SU 糖蛋白附着在宿主受体上，TM 糖蛋白介导与细胞膜的融合。触发病毒进入的进入受体尚未确定，但一项研究中硫酸乙酰肝素的缺失导致感染减少，承认它是一种有助于介导病毒颗粒进入的附着因子。目前尚不清楚融合是依赖于 pH 值还是不依赖于 pH 值，尽管已经提供了一些证据表明 SFV 确实通过 pH 依赖步骤进入细胞。一旦病毒进入细胞内部，逆转录病毒核心就会通过病毒蛋白酶的活性发生结构转变。研究表明，有三个内部蛋白酶依赖性切割位点对于病毒的传染性至关重要。GAG基因中的一个突变导致第一个切割位点的结构变化，阻止了病毒 PR 在其他两个位点的后续切割，反映了其突出作用。一旦被分解，遗传物质和酶在细胞质内是自由的，以继续病毒复制。尽管大多数逆转录病毒将 ssRNA(+) 沉积到细胞中，但SFV和其他相关物种的不同之处在于，多达20%的释放病毒颗粒已经包含dsDNA 基因组。这是由于泡沫病毒的一个独特特征，其中基因组 RNA 的逆转录开始发生在释放之前，而不是像其他逆转录病毒那样在新宿主细胞进入之后发生。
复制和转录
当ssRNA(+) 和 dsDNA 都进入细胞时，剩余的 ssRNA 通过逆转录酶被复制到 dsDNA 中。病毒 dsDNA 的核进入被病毒整合酶共价整合到细胞的基因组中，形成前病毒。集成的原病毒利用 5'LTR 中的启动子元件来驱动转录。这产生了未剪接的全长 mRNA，它将作为基因组 RNA 被包装到病毒粒子中，或用作GAG翻译的模板。拼接的 mRNA 编码POL(PR、RT、RnaseH、IN) env（SU、TM），它们将用于稍后组装病毒颗粒。
TAS反式激活蛋白通过 LTR U3 域中的顺式作用靶点增强 LTR 指导的转录。这种蛋白质的存在至关重要，因为在没有 Tas 的情况下，无法检测到 LTR 介导的转录。泡沫病毒利用多个启动子，这是除泡沫病毒科外没有在其他逆转录病毒中观察到的机制。 IP 是组织培养中病毒感染性所必需的，因为该启动子比 LTR 启动子具有更高的基础转录水平，并且它的使用导致编码TAS和bet的转录本。一旦TAS水平积累，它就会开始利用 LTR 启动子，它以比 IP 更低的亲和力结合TAS，并导致GAG、POL和ENV转录物的积累。
组装和释放
由于 GAG分子的多聚化，SFV 衣壳在细胞质中组装，但与其他相关病毒不同的是，SFV GAG缺乏 N 端肉豆蔻基化信号，并且衣壳不靶向细胞膜 (PM)。它们需要表达包膜蛋白以从细胞中出芽胞内衣壳，这表明GAG和ENV蛋白之间存在特定的相互作用。这种相互作用的证据是在 2001 年发现的，当时 SFVcpz 的第 50 位保守精氨酸 (Arg) 残基故意突变为丙氨酸，即使在存在包膜糖蛋白的情况下也能抑制正确的衣壳组装并消除病毒出芽。病毒颗粒包膜上的糖蛋白分析表明，它位于内质网 (ER) 中，一旦它从细胞器中萌芽，成熟过程就结束了，并可以感染其他细胞。两个赖氨酸残基（二赖氨酸）的二肽是确定为介导信号的特定分子的基序，定位内质网中的病毒颗粒。
宿主细胞的调节和相互作用
关于 SFV 在感染过程中如何与宿主细胞相互作用的数据很少。 可以观察到的最明显的效果是合胞体的形成，导致多核细胞。虽然SFV如何诱导这种变化的细节尚不清楚，但HIV确实在 CD4+T细胞中引起了类似的情况。 当细胞转录整合的原病毒基因组时，会产生糖蛋白并在细胞表面展示。 如果表面有足够的蛋白质，附近有其他CD4+T细胞，糖蛋白就会附着并导致几个细胞的融合。
泡沫变性或空泡化是细胞内另一个可观察到的变化，但尚不清楚 SFV 如何导致大量细胞质空泡的形成。这是泡沫病毒的另一个特征，但没有研究或解释为什么会发生这种情况。
总结
泡沫病毒和其他逆转录病毒之间的大部分差异来自生命周期。一些主要区别是泡沫病毒从内质网而不是细胞出芽；这种差异赋予泡沫病毒独特的形态。泡沫病毒的特征是一个看起来不成熟的核心，具有电子透明中心，表面有糖蛋白尖峰。泡沫病毒复制更类似于肝DNA病毒，后者是另一个逆转录酶编码病毒家族。基因组的逆转录发生在复制周期的后期，这导致感染性颗粒具有 DNA 而不是 RNA，这也导致宿主基因组中的整合较少。发现的 DNA 是线性的，并且是基因组的长度。该基因组编码通常的逆转录病毒基因GAG、POL和ENV以及两个额外的基因TAS/BEL-1和bet。bet的作用尚不清楚，研究表明，它对于组织培养中病毒的复制是可有可无的。最近，发现了一种新机制，其中泡沫病毒辅助蛋白bet（与 HIV-1 Vif 不同）损害了 APOBEC3G 的细胞质溶解度。然而，TAS基因是复制所必需的。它编码一种蛋白质，其功能是反式激活长末端重复 (LTR) 启动子。泡沫病毒具有第二个启动子，即位于 env 基因中的内部启动子 (IP)。 IP 驱动 tas 和 bet 基因的表达。 IP 的独特之处还在于病毒具有从中转录 mRNA 的能力；通常复杂的逆转录病毒只表达来自 LTR 的转录本。泡沫病毒的结构基因是其另一独特之处。GAG蛋白没有被有效地切割成成熟病毒，这导致了不成熟的形态。POL前体蛋白仅部分裂解；整合酶结构域被病毒蛋白酶去除。与其他逆转录病毒一样，ENV蛋白被切割成表面和跨膜结构域，但泡沫病毒ENV蛋白也包含内质网保留信号，这也是病毒从内质网出芽的部分原因。 泡沫病毒与其他逆转录病毒之间的另一个不同之处在于，一旦病毒进入细胞，其核心就有可能被回收利用
病毒传播和致病性
SFV的传播被认为是通过唾液传播的，因为口腔粘膜细胞中存在大量病毒 RNA，表明 SFV 基因表达和复制。咬伤等攻击性行为，以及母亲舔婴儿等养育行为都具有传播病毒的能力。 自然传播的研究表明，受感染母亲的婴儿对感染有抵抗力，大概是因为母体抗体的被动免疫，但在三岁时就可以检测到感染。 关于 SFV 在野生灵长类动物种群中的流行和传播模式知之甚少。
1955 年Rustigan 等人从肾脏中分离出第一例从灵长类动物中分离出的泡沫病毒。 SFV 的细胞病理学令人好奇的是，虽然它在体外导致细胞快速死亡，但在体内却失去了其高度的细胞病变性质。 由于几乎没有证据表明 SFV 感染会导致疾病，一些科学家认为它与猿猴有共生关系。
虽然猴泡沫病毒在非洲猿和猴子中流行，但圈养条件下感染率极高，成年动物的感染率从 70% 到 100% 不等。 由于人类与受感染的个体非常接近，因此与灵长类动物接触过的人可能会感染 SFV，从而使 SFV 成为一种人畜共患病毒。2004 年，美国和喀麦隆的一个联合团队在大猩猩、山魈和大猩猩中发现了逆转录病毒，证实了它可以传染给人类的能力。 出乎意料的是，他们还在1100名喀麦隆当地居民中的10人中发现了这种病毒。 在被发现感染的人中，大多数是被灵长类动物咬过的男人。虽然这只占人口的 1%，但这个细节让一些担心爆发另一种人畜共患病的人感到震惊。
细胞嗜性
SFV可以感染范围广泛的细胞，体外实验证实，成纤维细胞、上皮细胞和神经细胞都表现出广泛的细胞病理学，这是泡沫病毒感染的特征。 B 淋巴细胞和巨噬细胞的细胞病变效应降低，与成纤维细胞和上皮细胞相比，逆转录酶值较低。 未表达 SFV 细胞病变迹象的细胞是 Jurkat 和 Hut-78 T细胞系
SFV 使细胞彼此融合形成合胞体，从而使细胞变成多核并形成许多液泡，使其具有“泡沫”外观。
SFV 与灵长类动物的共生
来自非洲和亚洲猴子和猿的 SFV 聚合酶和线粒体细胞色素氧化酶亚基 II（COII 已被证明是用于灵长类动物系统发育的有力标记）的系统发育树分析提供了两种树之间非常相似的分支顺序和发散时间，支持共同物种形成.此外，发现 SFV 基因中的替换率极慢，即 SFV 的进化速度非常低（每年每个位点 1.7×10^-8 次替换）。这些结果表明，SFV 与旧大陆灵长类动物共种已有约 3000 万年，使它们成为已知最古老的脊椎动物 RNA 病毒。
对灵长类系统发育树的每个进化枝内的物种和亚种的 SFV 序列检查表明，SFV 和灵长类宿主也存在共同种属。在宿主和 SFV 基因树的分支长度之间发现了很强的线性关系，这表明两个数据集中的同步遗传差异。
通过使用分子钟，观察到宿主和 SFV 基因的替代率非常相似。发现宿主COII基因和SFV基因的取代率分别为（1.16±0.35）×10^-8和（1.7±0.45）×10^-8。这是对 RNA 病毒观察到的最慢的替代率，并且更接近于 DNA 病毒和内源性逆转录病毒的替代率。这个比率与外源性 RNA 病毒如 HIV 和甲型流感病毒的比率有很大不同（每个位点每年 10^-3到10^-4 次替换）。
感染率
喀麦隆、刚果民主共和国、法国、加蓬、德国、日本、卢旺达、英国和美国的研究人员发现，猴泡沫病毒在整个赤道非洲的野生黑猩猩中普遍存在。
暴露于野生灵长类动物（包括黑猩猩）的人类可能会感染 SFV。由于这些跨物种感染的长期后果尚不清楚，因此确定野生灵长类动物感染猿猴泡沫病毒的程度很重要。在这项研究中，研究人员通过使用新的非侵入性方法对野生黑猩猩测试了这个问题。研究人员分析了来自撒哈拉以南非洲 25 个黑猩猩社区的 700 多个粪便样本，从这些社区中的很大一部分获得了病毒序列，显示感染率从 44% 到 100% 不等。
重大疾病的爆发源于灵长类动物和人类之间传染性病原体的跨物种传播，因此了解更多关于这些跨物种传播是如何发生的非常重要。黑猩猩的高 SFV 感染率提供了一个机会来监测人类在何处接触这些病毒。确定位置可能有助于确定人与黑猩猩互动发生率最高的地方。这可以预测接下来还有哪些其他病原体可能会跳过物种屏障。
人泡沫病毒
人泡沫病毒(HFV)，是猴泡沫病毒的(SFV)一个变种。1971 年，从一名肯尼亚患者的人鼻咽癌 (NPC) 释放的淋巴母细胞中分离出一种具有泡沫病毒样特征的病毒剂。该试剂因其起源而被称为人泡沫病毒，并将其命名为 SFVcpz(hu) 作为原型毒株。HFV又名SFVcpz，源于其与猴泡沫病毒 (SFV) 的相似性。此后不久，一组研究人员得出结论，它是一种独特的泡沫病毒，与 SFV-6和SFV-7最密切相关，两者都是从黑猩猩中分离出来的。然而，在另一份报告中，另一组研究人员声称 SFVcpz(hu) 不是一种独特的泡沫病毒，而是黑猩猩泡沫病毒的变异品系。这场争论在 1994 年病毒被克隆和测序时结束。测序结果表明，SFV与从肯尼亚患者身上分离出的氨基酸有 86-95% 的相同氨基酸。此外，系统发育分析表明，两个基因组的POL区域共享 89-92% 的核苷酸，95-97% 的氨基酸在人泡沫病毒和各种 SFV 毒株之间相同。这些结果表明 SFVcpz(hu) 可能是 SFV 的变体，而不是独特的分离株。在研究人泡沫病毒的起源时，序列比较表明，从四种不同的黑猩猩物种中，SFVcpz(hu) 与施氏黑猩猩的关系最为密切。这种黑猩猩在肯尼亚有一个自然栖息地，因此，变种的起源很可能是这个物种，病毒很可能是作为人畜共患感染获得的。
在没有疾病但存在抗体的情况下持续存在是泡沫病毒感染的一个决定性特征。 HFV已从患有各种肿瘤和退行性疾病的患者中分离出来，例如重症肌无力、多发性硬化症、De Quervain 甲状腺炎和 Graves 病，但该病毒的病因作用尚不清楚。最近的研究表明它对人类和实验感染的动物没有致病性。
HFV对人类不致病，是一种逆转录病毒，是基因治疗的理想载体。 该病毒的另一个重要特征是GAG、POL和ENV蛋白是独立合成的； 这很重要，因为这意味着可以在三个不同的质粒上反式提供每种蛋白质，以创建稳定的包装细胞系。 拥有这一点可能会减少对具有复制能力的辅助病毒的需求。其他优点是人与人之间的传播从未被报道过，它比其他逆转录病毒具有更安全的插入诱变谱，并且由于基因组中有两个启动子，因此有可能制作一个表达受控外源基因的载体。 HFV作为基因治疗载体的一个缺点是它从细胞内质网膜萌芽，这导致病毒载体的细胞外滴度低。
总结
逆转录病毒一共有七大家族：甲型逆转录病毒(Alpharetrovirus)、乙型逆转录病毒(betaretrovirus)、丙型逆转录病毒(Gammaretrovirus)、丁型逆转录病毒(Deltaretrovirus)、戊型逆转录病毒(Epsilonretrovirus)、慢病毒(Lentivirus)和泡沫病毒(Spumavirus)。
所有的逆转录病毒都有逆转录酶，这种酶可以用RNA合成DNA。但是逆转录酶缺乏校正功能，因此精度很低。
下一期我们介绍的是拟逆转录病毒，拟逆转录病毒包括乙肝病毒与花椰菜花叶病毒。
