2025年1月17日，马克斯·普朗克研究所Martin Beck和Gerhard Hummer以及海德堡大学Hans-Georg Krausslich团队的研究人员，在国际知名期刊Cell（IF：45.5）发表了题为“Passage of the HIV capsid cracks the nuclear pore”的研究性论文。该突破性的研究，揭示了HIV病毒衣壳在穿越巨噬细胞核孔复合体（nuclear pore complex,NPC）时，不仅保持了结构的完整性，还会导致核孔复合体的环状结构发生破裂。这一发现挑战了传统观点，即病毒衣壳必须在核孔外解体才能进入细胞核。

在HIV病毒感染过程中，要感染靶细胞，HIV 病毒必须并到达细胞中心的细胞核，在那里产生足够的遗传密码拷贝来感染其他细胞。为了安全地完成这一任务，这种病毒会构建一层保护性蛋白外衣——衣壳（capsid），以抵御宿主为消灭它而设置的病毒自身免疫防御系统。在此之前，完整的衣壳究竟如何穿过嵌在核膜上的核孔进入细胞核一直是个谜。

HIV-1感染的关键步骤之一是将其遗传物质运输到宿主细胞核内，并成功整合到宿主的基因组中。然而，宿主细胞核由双层核膜包裹，核孔直径仅约45至65纳米，既能选择性地运输必要分子，又有效阻止了大多数外来成分的进入。核孔复合体（nuclear pore complex,NPC）选择性地控制物质的进出来完成这一任务，这为HIV-1的核内入侵构成了一个重大的障碍。NPC是生物体内最大的蛋白质复合物之一，由约30种核孔蛋白 （Nups） 组成，这些蛋白共同构成了一个动态且高度选择性的屏障。大多数病毒会在细胞质中解包衣壳，暴露出遗传物质，并通过与核定位信号 （NLS） 相互作用的小分子复合物穿越NPC。然而，HIV-1的行为却不同：其锥形衣壳（capsid）在细胞质中保持完整，直到进入细胞核后才完成解包。更为困惑的是，HIV衣壳的尺寸远大于NPC的选择性过滤阈值，这意味着其穿越机制具有独特性。如何穿越核孔？一直是研究的热点和难点。

HIV-1病毒的锥形衣壳（capsid）是一个复杂而精巧的多功能分子装置。它由200-250个病毒衣壳蛋白（CA）六聚体和12个五聚体拼接而成，呈现出独特的锥形结构。这种形状不仅能够紧密包裹病毒RNA基因组，为其提供物理保护，还能为病毒在细胞内的运输和核内转移提供重要支持。研究显示，衣壳的宽端约为60纳米，与核孔的内径接近，而窄端的设计使其更容易插入核孔复合体（NPC）的中心通道。这种锥形设计堪称病毒突破宿主防御系统的“进攻利器”。锥形衣壳的功能远不止是一个“防护壳”。首先，它是病毒反转录（reverse transcription）的主要场所。在衣壳内，病毒的RNA基因组被逆转录为双链DNA，从而为后续的基因组整合做好准备。同时，衣壳的存在还可以屏蔽宿主细胞内的DNA感受器，避免病毒在细胞质中被识别和清除。其次，衣壳与宿主细胞的微管马达蛋白相互作用，使病毒能够精准地被输送至核孔位置。更重要的是，衣壳还能作为一种“分子钥匙”，通过与核孔蛋白（FG-Nups）的特异性结合打开宿主细胞的核内屏障。HIV-1衣壳蛋白的六聚体能够与核孔复合体中的FG-Nups特异性结合。这种结合不仅让衣壳能够附着在核孔上，还为其穿越核孔提供了足够的牵引力。数据显示，约有17%的核孔与病毒衣壳直接结合，而衣壳信号的89%分布在核孔附近。

巨噬细胞是人类免疫缺陷病毒1型（HIV-1）的主要靶点之一。研究人员探索HIV-1亚病毒复合物在人原代单核细胞衍生的巨噬细胞 （MDM） 中的核进入。巨噬细胞是 HIV-1 的天然靶细胞，并且是有丝分裂后细胞。因此，病毒复制复合物必须通过完整的核包膜（nuclear envelope，NE ）进入细胞核。为了分析这一过程，作者利用了之前描述的非感染性 HIV-1 变体 （NNHIV），该变体正常进入允许细胞并经历逆转录和核进入，但在整合和基因表达方面存在缺陷。

HIV-1衣壳在巨噬细胞（MDM）核孔复合体（NPC）处的积累

(A) 巨噬细胞中HIV-1 CA信号在核膜附近的分布

研究通过感染巨噬细胞样本（MDMs）并在感染后24小时和48小时进行标记观察，展示了HIV-1衣壳蛋白（CA，绿色信号）与核膜（由lamin A/C标记，洋红色信号）的相对定位。在共聚焦显微镜的z切片图中，可以清晰观察到HIV-1 CA信号在细胞核膜（NE）处显著积累。被lamin A/C信号定义的核膜区域显示出明显的CA信号聚集，尤其是在48小时后更为显著。局部放大的图像（标记为白色箭头）揭示了CA信号精确分布在核膜的定义边界处，这表明病毒衣壳与核孔复合体的关联。

(B 和 C) 定量分析CA信号的分布

(B) CA信号与核膜（lamin A/C）的共定位：图表显示，与lamin A/C染色共定位的CA信号数量在感染后不同时期的变化。结果表明，感染时间延长后，越来越多的CA信号与核膜区域共定位，这进一步验证了病毒衣壳在核孔复合体附近的积累趋势。

(C) 核内CA信号数量：分析了核内检测到的CA信号数量，结果显示感染48小时后，进入细胞核内部的CA信号显著增加。这表明病毒衣壳不仅在核孔处积累，还能够穿越核膜进入细胞核。

(D) 使用3D STED成像对病毒与核孔的精确关联进行深入解析

采用超分辨率的3D STED显微成像技术，研究进一步解析了HIV-1 CA信号（洋红色）与核孔蛋白（FG-Nups，绿色）的关联。在整个细胞核的3D重建图像中可以看到，CA信号直接位于由FG-Nups定义的核孔复合体区域附近或与之直接接触。局部放大显示，CA信号（白色箭头）清晰地与核孔复合体标记的结构直接相关联。这为病毒衣壳与核孔的物理交互提供了更直观的证据。

通过冷冻电镜和分子模拟，研究人员观察到病毒衣壳（capsid）在穿越核孔时会导致NPC的环状结构出现“裂缝”。这种现象主要发生在NPC的内环区域（inner ring, IR），也就是核孔的最狭窄部分，也是病毒通过时需要克服的关键物理障碍。数据显示，约有一半的核孔在与病毒衣壳结合后出现了扩张，甚至裂解现象。这种“裂缝”表现为核孔的环状亚单位出现不对称排列，原本具有8重对称性的结构被破坏。通过分子模拟，研究还发现裂解的区域通常集中在衣壳接触和推进的位置，这表明裂缝的产生与衣壳的机械作用力密切相关。令人惊讶的是，尽管核孔结构受损，宿主细胞的整体功能并未因此受到严重影响。HIV-1感染的巨噬细胞能够长期存活，并未表现出明显的核膜破裂或核孔完全丧失功能的现象。这表明，病毒可能在长期进化中找到了一种“恰到好处”的机制，既能成功突破核孔屏障，又能避免对宿主细胞造成过度损伤。对病毒而言，这种策略不仅提高了感染的成功率，还能为其在宿主内的长期潜伏创造条件。即双方互相斗争后最小妥协代价。

原始文献

Kreysing, Jan Philipp et al.,Passage of the HIV capsid cracks the nuclear pore, Cell (2025). 

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01421-1