在最近发表在《 分子细胞》杂志上的一篇文章中，研究人员提供了一个有价值的数据资源，可以深入了解控制人类免疫缺陷病毒 (HIV) 在人脑中整合和表达的细胞和遗传机制。
背景
HIV 在感染后的前两周内进入中枢神经系统 (CNS)。小胶质细胞、骨髓细胞和巨噬细胞共同构成神经元的 5-10%，主要受到感染。
HIV 感染性脑炎 (HIVE) 是联合抗逆转录病毒疗法 (cART) 发现后的一种罕见并发症；然而，HIVE 是研究活跃的 HIV 复制如何影响大脑的理想条件。在某些情况下，在急性 HIV 感染的初始阶段，患者会出现类似于 HIVE 状态的神经系统症状。
需要更多基因组和转录组水平的数据来设计针对 HIV 相关神经认知障碍 (HAND) 的有效治疗方法，该疾病影响全球 20-50% 的 HIV 感染者。迄今为止，大多数基因组研究都集中在大块组织的基因表达谱分析上，以证明 HIV 引发的代谢变化和神经炎症。
关于研究
在本研究中，研究人员进行了首创的细胞类型特异性整合基因组学研究，包括三维 (3D) 基因组作图、HIV 整合位点测序 (IS-seq) 和单核转录。
虽然之前的研究使用的是大块组织，但目前的研究人员使用的是来自感染 HIV 的已故捐献者和患有或未患有脑炎的对照者的额叶组织。更具体地说，获得了三个未感染 HIV、三个 HIV 感染和七个 HIVE 的额叶皮质灰质和皮质下白质样本。
对于转录的细胞类型分辨率，该团队对来自大脑额叶的组织样本进行了 10X Chromium 单核核糖核酸测序 (snRNA-seq)。此外，研究人员筛选了单核的 HIV 转录本，并观察了所有类型脑细胞中的 HIV 转录本。
小胶质细胞的 3D 重组尚未在体内可视化。因此，该团队从两个具有年龄和性别匹配对照的 HIVE 大脑中生成了小胶质细胞的全基因组规模高通量染色体构象捕获 (Hi-C) 图。根据 sc-RNA 序列结果，这些 HIVE 脑样本已证实 HIV 表达。
此外，研究人员检查了 0.1 至 10 兆碱基 (Mb) 大小的小胶质细胞染色体区室，这些区室随后被分为基因密集和基因贫乏的 A 和 B 区室。值得注意的是，相分离驱动 A 和 B 染色体区室的空间分离。
由于 HIVE 还会重塑染色质区室结构，研究人员探索了小胶质细胞中的拓扑相关域 (TAD) 和环路改变。
研究结果
通过 snRNA-seq，分析了 69,843 个细胞核，平均产生 2,401 个差异表达基因 (DEG)，平均深度为 119,797 个读数。此外，包含 194 Mb 小胶质细胞基因组的 Hi-C (dcHiC) 的微分区室分析（其长度几乎与人类 5 号染色体的大小相当）也揭示了 HIVE 大脑中 A/B 区室化与感染艾滋病毒的大脑。
在经历深刻重组的同时，小胶质细胞中 DEG 位点的染色体构象也改变了千到百万碱基尺度的 TAD，并重新连接了数百个接触特异性环。
HIVE 和 HIV 感染的小胶质细胞 A 隔室中的基因组显示出从 47.3% 到 46.2% 的显着变化。此外，HIVE 小胶质细胞的 118 Mb 染色体 A/B 区室转变为更开放的构象，而 76 Mb 则在相反方向转变为更封闭的构象。
七个 HIVE 样本中具有增强 A 区室化的区域有 1,940 个基因的表达水平明显高于 snRNA-seq 数据集中三个 HIV 感染的小胶质细胞。总体而言，HIVE 中的 Hi-C 隔室变化是小胶质细胞特异性的。
功能通路分析显示补体级联基因、干扰素 (IFN) 和其他细胞因子信号通路以及骨髓趋化性和迁移通路大量富集。这些变化表明，由于 HIV 在大脑中的整合，小胶质细胞的功能从神经元支持功能转变为炎症。
值得注意的是，即使在没有 HIV 整合的情况下，来自 HIV 感染大脑的非脑炎性小胶质细胞也显示出与神经元健康相关的基因表达的保守变化。尽管没有直接的神经元感染，早期的损伤可能会导致 HIV 感染期间出现 HAND 和相关的神经元功能障碍。
结论
目前的研究表明，感染 HIV 的大脑中的 3D 全基因组改变是小胶质细胞特异性的，并导致显着的核转录组重编程。例如，HIVE 小胶质细胞中表达上调的基因位点转变为更有利的转录和开放染色质状态，从而表明 HIV 整合和转录导致了小胶质细胞中的这些免疫变化。
此外，HIV 衍生的转录物通过其他机制影响小胶质细胞染色体构象。HIV 表现出对整合到 A 室开放染色质中的强烈偏好。事实上，一些 HIV 整合位点可能依赖于类似于 T 细胞的疾病阶段，这在以前的研究中已经报道过。
其他病毒，如严重急性呼吸系统综合症冠状病毒 2 (SARS-CoV-2)，也在气味受体基因处重新连接染色体组织。研究人员注意到免疫刺激和感染之间存在联系，表明大脑小胶质细胞激活以某种方式增强了 HIV 感染。
这些小胶质细胞是高水平高效 HIV 转录的位点，随后会从这里传播到其他易感脑细胞群中。这些 HIV 整合位点的小克隆群体复制并增加了 CNS 病毒的数量。
总的来说，显示 HIV 整合位点细胞类型特异性差异的研究数据可以支持下一代 HIV 治愈疗法的开发。
参考来源：
Plaza-Jennings, A. L., Valada, A., O’Shea, C., et al. (2022). HIV integration in the human brain is linked to microglial activation and 3D genome remodeling. Molecular Cell. doi:10.1016/j.molcel.2022.11.016