大3 · 第1學期微生物學病毒學基礎

反轉錄病毒

Retroviruses

難度 4 · 專業microbiologyvirologymolecular-biology想做成互動版

反轉錄病毒學是分子病毒學最精深的領域之一，其核心發現顛覆了遺傳資訊流的單向假設，並孕育了基因治療、癌症基因學、演化基因組學、免疫學的多個分支。以下從結構、機制、治療、演化四面向深入。

一、反轉錄酶的發現與結構

Howard Temin（1964 提出 provirus hypothesis，當時被嘲笑）與 David Baltimore（獨立）於 1970 年同時在 Nature 報告 RSV 與 Rauscher murine leukemia virus 含有 RNA → DNA polymerase 活性（Temin & Mizutani, 1970; Baltimore, 1970, Nature），1975 共獲諾貝爾獎（與 Dulbecco）。HIV RT 為 p66/p51 異二聚體，p66 有 polymerase 與 RNase H 兩個活性中心，p51 為結構支架（Kohlstaedt et al., 1992, Science）。RT 錯誤率約 3×10⁻⁵ 每核苷酸，無 proofreading，加上每日 10¹⁰ 病毒產量，造就 quasispecies 生物學。

二、Integration 的分子機制

Integrase 催化兩步：

3' processing：切除 viral DNA 末端兩個核苷酸
Strand transfer：以 nucleophilic attack 將 viral DNA 嵌入宿主 target DNA
HIV IN 偏好 active transcription units 與 lamina-associated domains 邊界（Schröder et al., 2002, Cell），與 LEDGF/p75 交互作用引導至 H3K36me3 染色質（Ciuffi et al., 2005, Nat Med）。Raltegravir、elvitegravir、dolutegravir、bictegravir 靶向 IN 活性中心，dolutegravir 對 raltegravir-resistant mutant（Q148H/G140S）仍有效。

三、HIV-1 的分子與群體動力學

Entry：gp120-CD4 結合誘發 V3 loop 暴露，接著 co-receptor binding，gp41 6-helix bundle 驅動融合（Chan et al., 1997, Cell）。X4/R5 tropism 在自然史中 shift，晚期常出現 X4-using variant。
Reverse transcription：tRNA^Lys3 為 primer，strand transfer 發生兩次（strong stop DNA → + strand），cPPT 產生 central DNA flap 促核入。
Integration site 偏好：active genes（contrary to MLV which prefers TSS），造成 clonal expansion of infected cells in ART era。
Quasispecies：生成速率約 10⁻⁴ mutations per replication；在體內產生 drug-resistance mutation pool。

四、APOBEC、TRIM5α 等 restriction factor 與病毒反制

APOBEC3G：cytidine deaminase，導致 viral cDNA G→A hypermutation；HIV Vif 招募 Cul5-ElonginBC-CBFβ 複合體降解 A3G（Sheehy et al., 2002, Nature；Jäger et al., 2012, Nature）
TRIM5α：辨識 retrovirus capsid，誘導 proteasomal degradation 與 innate immune signaling。人類 TRIM5α 對 HIV-1 capsid 親和性低，為 cross-species barrier 之一（Stremlau et al., 2004, Nature）
SAMHD1：dNTP 水解酶，耗空 dNTP 池阻止 RT；HIV-2/SIVsm 的 Vpx 招募 Cul4-DCAF1 降解 SAMHD1（Hrecka et al., 2011, Nature；Laguette et al., 2011, Nature）
Tetherin/BST-2：釘住 budding particle 於膜上；HIV-1 Vpu、HIV-2 Env、SIV Nef 依 subtype 不同拮抗
MxB（MX2）：抑制 HIV 核入後 integration

五、Latent reservoir 與治癒策略

ART 能壓制病毒複製，但無法清除 resting memory CD4⁺ T cells 中的整合前病毒（Finzi et al., 1997, Science；Chun et al., 1997, Nature）。Reservoir 半衰期約 44 個月（Siliciano et al., 2003, Nat Med），理論上需要 60-70 年 ART 才能自然清除。治癒策略：

Shock-and-kill：LRA（latency-reversing agent，如 HDAC inhibitor vorinostat、PKC agonist bryostatin、BET inhibitor）重新活化潛伏病毒 + 清除機制（CTL、bNAb、CAR-T）。臨床試驗顯示可暫時 reactivation 但 reservoir size 未顯著下降。
Block-and-lock：didehydro-cortistatin A (dCA) 鎖定 Tat 抑制態，讓 provirus 永遠沉睡。
幹細胞移植：CCR5-Δ32/Δ32 donor 之 HSCT（Berlin, London, Düsseldorf, City of Hope, Geneva 患者），CCR5 基因缺失使移植後 T 細胞對 HIV 免疫。
Gene therapy / CRISPR：excise provirus（EBT-101 臨床試驗 2022）、敲除 CCR5、引入 bNAb 基因。
Broadly neutralizing antibody (bNAb) 被動免疫：VRC01、3BNC117、10-1074，單抗或組合治療，可延遲 viral rebound（Bar-On et al., 2018, Nat Med）。

六、HIV 起源與跨物種跳躍

HIV-1 M group 來自中非 SIVcpz（Pan troglodytes troglodytes），多次獨立跨種事件發生於 20 世紀初（Keele et al., 2006, Science；Worobey et al., 2008, Nature：最早標本為 1959 年剛果）。HIV-2 來自 SIVsmm（sooty mangabey）。Zoonotic spillover 成功定殖人類需突破數個 restriction：Vif-APOBEC3、Vpu-tetherin、Nef-tetherin 等 adaptive substitutions。

七、反轉錄病毒在癌症研究的奠基角色

Rous sarcoma virus 攜帶的 v-src 是首個發現的癌基因（oncogene, Stehelin et al., 1976, Nature），揭示宿主 c-src proto-oncogene 存在。接著陸續發現 myc、ras、erbB 等 viral oncogene 皆有細胞源頭。Retrovirus insertional mutagenesis（MLV-induced leukemia）與 insertional mutagenesis screens（Sleeping Beauty、piggyBac）成為癌基因篩選工具。HTLV-1 引發 adult T-cell leukemia，機制涉及 Tax 與 HBZ 雙向調控。

八、內源性反轉錄病毒與宿主演化

人類基因組中約 8% 為 ERV 序列，大多屬 class I（γ-retrovirus-like）與 class II（β-retrovirus-like）。Syncytin-1（ERVW-1 env）於 ~25 Mya 整合，獲 fusogenic function 形成胎盤合胞體滋養層；Syncytin-2（ERVFRD-1）提供免疫耐受（Mallet et al., 2004, PNAS）。ERV LTR 被重新利用為 promoter（如 AMY1、PRODH），參與 pluripotency 調控（HERV-H, KLF4）。KoRV（koala retrovirus）為現正在進行中的 endogenization，提供即時演化觀察平台。

九、Retroviral vector 與基因治療

MLV-based γ-retrovirus vector、lentiviral vector（HIV-derived, self-inactivating LTR）用於造血幹細胞、CAR-T 治療：

Strimvelis（2016，ADA-SCID）、Zynteglo（β-thalassemia）、Skysona（CALD）、Libmeldy（MLD）、Casgevy/Lyfgenia（SCD）
CAR-T（Kymriah、Yescarta、Breyanzi、Tecartus、Carvykti）均使用 lentiviral 或 γ-retroviral vector

早期 SCID-X1 試驗出現 LMO2 insertional leukemia，促使 SIN vector 與 lentiviral 廣泛採用。

十、未解問題