Science Translational Medicine：单细胞转录组学鉴定体内HIV-1的原胸腺酶α限制

已经确定了多种人类先天因素，这些因素在复制周期中抑制了HIV-1。大多数这些限制因素，如APOBEC3G、BST-2（tetherin）和TRIM5α，都是通过比较基因表达分析和在限制性与易感细胞系模型中筛选互补DNA（cDNA）库在体外发现的。这些限制因素的重要性从对抗其影响的HIV-1附属蛋白的进化中显而易见；例如，HIV-1 Vif对抗APOBECC3G，Vpu对抗BST-2。然而，目前还不清楚哪些因素与限制当今体内循环的HIV-1菌株最相关。

对HIV-1感染队列中CD4+ T细胞中大量转录组学的基因组研究确定了慢性感染期间上调的宿主基因。干扰素（IFN）刺激基因（ISGs）的表达，包括已知的抗逆转录病毒限制因素，与较高而不是较低的病毒载量相关。因此，观察到的全球RNA表达变化可能反映了对病毒复制的反应，而不是病毒控制。正如最近报道的那样，为了识别影响HIV-1基因表达的宿主因素，将细胞转录组学和同一细胞中病毒转录物的量化结合起来很重要。在抑制性抗逆转录病毒治疗（ART）期间，细胞被有效感染的频率极低，在没有刺激的情况下无法表征这些细胞中的基因表达。

因此，研究人员推断，在急性HIV-1感染（AHI）期间对感染和未感染细胞的分析，当病毒复制达到顶峰时，可能会提供发现调节病毒转录的细胞因素的机会。了解哪些细胞因素能够限制体内受感染细胞中的HIV-1至关重要，因为这些细胞在分析治疗中断（ATI）后可能会出现反弹病毒的来源。了解急性感染期间的病毒抑制机制也有助于合理设计药物或疫苗，以防止水库播种。

下一代测序允许整合来自数千个单个细胞的数据，并能够检测宿主基因表达（10）和病毒RNA（vRNA）。例如，可以使用基于液滴的单细胞RNA测序（scRNA-seq）来评估20,000多个人类基因，该基因也可用于检测病毒转录物。使用这项技术，研究人员确认了之前的发现，表明表达细胞毒性标记的记忆CD4+ T细胞表现出最高的HIV-1 RNA转录物。

然后，早在HIV-1感染后2周，然后在ART启动48周后，病毒血症被抑制，使用无偏见的组学方法来识别与单个外周血单核细胞（PBMCs）中的vRNA表达相关的宿主基因。研究人员发现，PTMA宿主基因的表达与体内单个受感染细胞中的vRNA表达成反比。由于由PTMA基因编码的小蛋白质prothymosin α也抑制细胞培养中的HIV-1转录和传染性病毒的产生，它代表了通过在体内对受感染细胞进行无偏见的筛选来确定的宿主限制因子。

2023 年8月2日发表在Science Translational Medicine的文章，研究人员使用单细胞转录组学分析，通过将宿主基因表达与单个细胞中的病毒RNA丰度相关联，来识别与急性感染期间HIV-1控制相关的宿主因素。对一个血浆病毒载量最高的参与者的细胞进行广泛测序显示，细胞内病毒RNA转录与编码前胸腺素α的基因PTMA的表达成反比。

纵向单细胞多组学证实，在急性治疗的HIV队列中，IFN反应主导了AHI和ART时间点之间的差异

研究结果显示，这种关联在全基因组范围内是显著的（Padjusted < 0.05），并分别在来自泰国和美洲的28名感染HIV-1 CRF01_AE和B亚型感染的参与者中得到了验证。体外促甲状腺素α的过度表达证实，这种细胞因子抑制了HIV-1转录和传染性病毒的产生。我们的结果确定prothymosin α是限制体内HIV-1感染的宿主因素，这对病毒传播和治愈策略有影响。

综上所述，研究人员使用单细胞转录组分析来识别AHI期间单个vRNA+记忆CD4+ T细胞，并确认它们表达了持久性和细胞毒性的标记。此外，通过分析同一细胞中的病毒和宿主基因表达，研究人员能够将细胞内vRNA测量与相应的宿主因素联系起来，而不是比较细胞群体中全身血浆VL和IFN驱动的反应。本文的调查显示，PTMA的高细胞内表达与低vRNA表达有关，这对于感染两种不同的HIV-1亚型（CRF01_AE和CRF01_B）的个体来说是证实的。这种相关性可能是由HIV-1下调PTMA引起的。

然而，通过观察结果，在急性感染期间vRNA+细胞的频率与40多周后病毒被ART抑制时PTMA表达成反比，对PTMA实际抑制HIV-1的支持。这些数据表明，PTMA表达的个体间变异会影响AHI期间受感染细胞的频率，当比较感染前样本时，这一观察结果进一步证实了。PTMA抑制HIV-1的直接证据是通过体外过度表达获得的。

在最高剂量下，PTMA将分支B HIV-1 CH077和CH058 IMC的传染性病毒产量降低了≥90%，尽管亚型C CH164和CH850 IMC受到的影响较小。预计并非所有大流行性HIV-1菌株都同样容易受到PTMA的影响，因为它们基本上抵消或规避了所有限制因素。最近有证据表明，一个额外的核因子κB（NF-κB）位点允许HIV-1亚型C逃避核Pyrin和造血IFN诱导核（HIN）结构域（PYHIN）蛋白质的限制，确定C亚型病毒是否也进化出避免PTMA限制的机制会很有趣。

总而言之，PTMA的抑制作用强度与在乙呋呤、锌指抗病毒蛋白（ZAP）和鸟苷酸盐结合蛋白5（GBP5）的过表达试验中观察到的强度相似。与PTMA表达相关的基因因感染的病毒亚型而异，这也可以归因于种族差异，这表明不同的宿主反应可以影响体内的病毒抑制。由于PTMA效应是通过对受感染患者细胞和体外抑制原发性HIV-1 IMC的无偏见分析发现的，它可能代表了限制体内HIV-1转录的一个重要因素。

综上所述