追踪类hiv病毒和灵长类基因组之间的进化军备竞赛的诞生

弗雷德哈钦森癌症研究中心的科学家们结合进化生物学和病毒学，追踪了一些与hiv相关的病毒击败灵长类动物新发现的细胞防御系统能力的起源。

这项研究由哈金森中心人类生物学和基础科学部的迈克尔·艾默曼博士和该中心基础科学部的哈米特·马利克博士领导，于1月26日在2月16日印刷版《美国科学》杂志之前在线发表细胞宿主和微生物．

哈钦森中心计算生物学项目的研究人员也参与了这项工作，这项工作的关键是最近发现的一种叫做SAMHD1的细胞防御蛋白，它可以保护免疫系统的一些关键细胞免受HIV-1的感染。这种蛋白质可能是通过减少病毒复制所需的核苷酸或DNA构件来实现这一点的。对此，一些人病毒与HIV-1相关的病毒，如HIV-2和一些感染其他灵长类动物的猴免疫缺陷病毒，会产生一种叫做Vpx的蛋白质，与SAMHD1结合并以其为目标进行破坏。

然而，HIV-1不编码Vpx，但它编码一种叫做Vpr的相关蛋白质。Emerman和他的同事试图解决HIV-1是否失去了降解SAMHD1的能力，或者这种能力是否只在编码Vpx蛋白的少数慢病毒中获得。

为了区分这些可能性，研究人员测试了Vpx以及相关的Vpr蛋白，这些蛋白来自一个代表所有目前已知的灵长类慢病毒的小组，测试了它们结合和降解SAMHD1的能力。当这两种病毒蛋白之间的系统发育史或进化相关性被绘制在它们的功能之上时，研究人员发现Vpr蛋白在Vpx蛋白“诞生”之前就首先获得了降解samhd1的能力。

这种新功能只在一个进化谱系中出现过一次，代表了目前已知的八种灵长类慢病毒类型中的三种。“这意味着慢病毒降解灵长类动物SAMHD1的能力是一种新获得的特性，”Emerman说。“然而，HIV-1没有能力降解SAMHD1，因为它的Vpr基因来自灵长类动物的一种病毒谱系，这些病毒从未进化到获得这种功能。”

研究人员还发现Vpr/Vpx蛋白在降解灵长类动物SAMHD1方面具有高度的物种特异性能力。因此，虽然慢病毒可以在单一灵长类物种中降解SAMHD1，但它不能结合并降解来自较远亲缘物种的SAMHD1蛋白。该病毒对其特定宿主的特异性以及SAMHD1降解在慢病毒中是一种进化新现象的事实表明，SAMHD1来自某些灵长类动物与Vpx/Vpr蛋白陷入了“进化军备竞赛”。

这种基因拉锯战就是进化生物学家所称的“红皇后原则”的例证，这个短语借用自刘易斯·卡罗尔的《镜花水月》(Through the Looking Glass)中的红皇后，指的是尽可能快地奔跑只是为了保持原地不动的悖论。“红皇后冲突”通常会给双方拳手施加压力，让他们不断进化出新的方法来战胜对方，只是为了留在游戏中。在这种情况下，宿主蛋白质进化以逃避新进化的病毒蛋白质的降解。

为了评估这些进化军备竞赛的分子特征，Emerman实验室的研究生，第一作者Efrem Lim比较了SAMHD1在灵长类动物进化中的进化速率。他发现，在2300万年前之前，几乎没有证据表明SAMHD1快速进化。相比之下，旧大陆猴子体内含有Vpr/ vpx慢病毒的SAMHD1蛋白已经快速进化了数百万年。

进化遗传学家Malik说:“我们不仅重现了这些病毒中samhd1降解活性的诞生，而且还捕捉到了它们拮抗的宿主基因的直接进化结果。”“虽然之前已经记录了病毒和宿主基因组之间的军备竞赛，但这是第一次在病毒和灵长类基因组中捕捉到达尔文军备竞赛的开始。”

艾默曼是一位病毒学家，他推测这项研究可能对HIV-1和艾滋病有直接的影响。他说:“HIV-1的致病性如此之强，可能是因为它需要快速生长，以弥补对付SAMHD1的能力不足。”