人类免疫缺陷病毒(HIV)感染引起的艾滋病是人类最严重的传染病之一，其不仅对公众健康构成了严重威胁，还影响了国家的经济发展和社会稳定。
虽然抗逆转录病毒的药物早期干预可以有效控制病情，延长患者的寿命、提高生活质量，但长期服药引发的副作用以及病毒耐药的出现都会迫使治疗中断甚至出现病情恶化;而且由于病毒潜伏库(latent viral reservoir,LVR)的存在，感染了HIV病毒的患者即使终身用药都无法根除体内的病毒。目前艾滋病的有效预防和彻底治愈仍是一个世界性难题。
HIV-1病毒
HIV病毒有“HIV-1”和“HIV-2”两个亚型，其中高致病性的HIV-1是AIDS的主要诱因。HIV-1病毒属于逆转录RNA病毒，病毒核心的基因组是两个拷贝的单股正链RNA，它们通过一个帽状结构m7G5PPP5′GmpNp在5′端形成一个二聚体，其基因结构为5′长末端重复序列-gag-pol-env-3′长末端重复序列。
基因组的两个末端(5′和3′末端)是长末端重复序列(long terminal repeats,LTRs)，包含启动子、增强子和负调控区。LTRs之间的序列编码了至少11种蛋白质，基因序列包括结构基因(gag、pol、env)、调节基因(tat、rev、nef)和辅助基因(vif、vpr、vpu、vpx、tev)，如图1所示。
迄今为止针对病毒复制周期的每个阶段总计有30多种抗病毒药物被批准上市，包括病毒进入抑制剂、融合抑制剂、核苷和非核苷类逆转录酶抑制剂、整合酶抑制剂和蛋白酶抑制剂等。
HIV病毒的复制周期包括黏附、融合、脱衣壳、逆转录、入核、整合、转录、出核、翻译、组装、出芽、释放和成熟十三个步骤，如图2所示。
高效抗逆转录病毒疗法(HAART)，也称“鸡尾酒疗法”，即多种不同类型的抗病毒药物联合使用，可显著降低患者体内的病毒载量并增加CD4+T细胞数量。然而，由于LVR的广泛存在，HAART方案并不能彻底清除HIV病毒，因此有必要深入了解LVR的形成机制，以便找到针对HIV-1感染的合理治疗方案。
HIV-1病毒潜伏库
HIV-1病毒主要潜伏在静息的记忆性CD4+T细胞中，此外还存在于单核细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、神经胶质细胞、星形胶质细胞、自然杀伤细胞和多功能造血干细胞中。由于某些抗病毒药物生物利用度较差，人体本身存在一些免疫豁免部位，包括各种淋巴器官和组织，如脾脏、淋巴结、腹部和肠道相关淋巴组织、中枢神经系统、睾丸等，这为病毒潜伏提供了生理组织条件。
LVR是病毒藏匿的所有细胞或组织的总称。在潜伏库中，HIV前病毒DNA主要以三种形式存在，细胞质和细胞核中未整合的游离前病毒DNA以及成功整合的前病毒DNA，前两者半衰期短，在宿主细胞内能够被很快清除，成功整合的前病毒DNA能够稳定存在，但根据整合位点的染色质环境和细胞核中各种宿主转录因子的水平，整合后的前病毒DNA会显示出不同的表达状态。
潜伏的HIV病毒仅保持低水平的转录，几乎不产生或仅产生少量病毒RNA，由于缺乏病毒蛋白无法形成完整的病毒颗粒，因此既不能被免疫系统识别也不能被抗病毒药物杀死，第三种形式的前病毒DNA是潜伏库的主要来源。
HIV病毒在静息CD4+T细胞中优先形成潜伏感染的具体原因尚不清楚。理论上，静息的CD4+T细胞表面没有足够的CC趋化因子受体5(CC chemokine receptor 5,CCR5)表达，感染HIV病毒的可能性较小，而活化的CD4+T细胞表面CCR5的表达水平上调，更有可能被感染。
如果活化的T细胞转变为静息状态或从效应细胞转为记忆细胞，它将停留在G0期停止有丝分裂，那么已经整合到宿主染色体中的前病毒DNA也将处于静息状态。潜伏病毒只有在细胞内环境改变或被特定条件刺激时才能重新激活。如果HIV病毒最开始感染的是正处于G0期的静息CD4+T细胞，则该病毒在感染后将保持在潜伏状态。
由于病毒基因的高表达，宿主细胞在感染后可能会很快死亡，即使在未被感染的状态下，也只有极少量活化的CD4+T细胞转化为记忆细胞，因此潜伏是一个偶然事件。静息的CD4+T细胞在人体内半衰期长达44个月，HIV病毒可在宿主细胞中潜藏73年之久而不会触发明显症状，这使HIV感染/AIDS成为一种几乎无法治愈的疾病。
分子机制
目前，关于LVR的形成和维持报道了四种分子机制：
■ 病毒基因表达的表观遗传学调控;
■ 基于T细胞活化状态的细胞内转录因子的可及性;
■ 前病毒DNA整合位点的影响;
■ 微RNA(microRNA,miRNA)对病毒基因转录的影响。具体机制如图3所示。
病毒基因表达的表观遗传学调控
整合到人类染色体后，HIV病毒可以像宿主基因一样通过多种染色质修饰(如组蛋白尾部的甲基化、乙酰化、去乙酰化、磷酸化和泛素化等)进行表观遗传学调控。这些可逆的修饰影响染色体的凝聚状态并决定了转录激活因子对DNA的可及性。
HIV病毒的转录起始位点和转录调控序列位于LTR区域，该区域位于核小体0(nucleosome 0,Nuc0)和核小体1(nucleosome 1,Nuc1)的同源染色体之间。Nuc0覆盖了病毒转录起始位点的上游序列，而Nuc1覆盖了HIV转录核心启动子下游的调控序列，Nuc0和Nuc1之间的序列是特异性的转录因子识别区域。
在静息的CD4+T细胞中，一些负调控因子和宿主调控蛋白与核心启动子及其上游序列结合，通过募集组蛋白去乙酰化酶(HDACs)将Nuc1的组蛋白去乙酰化，Nuc1被重塑为一种致密的结构，抑制了RNA聚合酶Ⅱ(RNA polymeraseⅡ,RNAPⅡ)和HIV核心启动子的结合，从而阻止了HIV病毒的转录起始。
同时，这些负调控因子还可通过募集组蛋白甲基转移酶(HMTs)使Nuc1中的组蛋白甲基化，从而导致正常的染色体异染色质化，或通过募集DNA甲基转移酶(DNA methyltransferases,DNMTs)来甲基化LTR区域的CpG[胞嘧啶(C)-磷酸(p)-鸟嘌呤(G)]序列，抑制基因转录，促使HIV病毒潜伏。最终大量凝集的异染色质在静息的CD4+T细胞中累积，形成LVR，表观遗传调控的相关过程如图4所示。
基于T细胞活化状态的细胞内转录因子的可及性
宿主细胞核中的活化依赖性转录因子与潜伏密切相关。整合的HIV前病毒DNA包含5′LTR和3′LTR，HIV转录的启动子位于5′LTR上，包含多个转录因子结合位点。在静息的CD4+T细胞中，宿主转录因子核因子κB(NF-κB)、活化的T细胞核因子(NFAT)和激活蛋白1(AP-1)游离在细胞质中，正转录延伸因子b(P-TEFb)与未活化的7SK小核糖核蛋白复合物结合。
静息状态下，NF-κB游离在细胞质中与其抑制剂IκB(inhibitor of NF-κB)结合，无法进入细胞核，活化后的NF-κB在HIV前病毒DNA的转录中起关键作用。P-TEFb[包含细胞周期蛋白依赖性激酶9(CDK9)和细胞周期蛋白T1(cyclin T1,cycT1)]可被反式激活因子(Tat)招募到病毒基因的启动子，通过松解Nuc1并使磷酸化的RNAPⅡ向前延伸来促进病毒基因的转录。静息的CD4+T细胞中仅存在少量活化的宿主转录因子，其天然的生理状态形成了病毒潜伏的主要因素。
蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)与多种转录因子(如NFAT、NF-κB和AP-1)的活化有关。这些转录因子通过募集RNAPⅡ和激活T细胞来促进病毒基因的转录。PKC的活化能够诱导IκB的磷酸化和部分降解，使NF-κB游离释放并快速进入细胞核与HIV的LTR上相应位点结合以启动转录。
转录开始后，HIV前病毒在启动子附近会经历一个近端暂停，这时Tat可以结合到具有发夹结构的反式激活应答区域(TAR)，形成“Tat-TAR”复合物，通过募集PTEFb磷酸化RNAPⅡ，爆发性地增强HIV病毒的转录延伸，最终释放近端暂停激活转录。
尽管Tat可以显著增强病毒基因的转录，它在潜伏的HIV病毒中却相对缺乏，这时人类p300/CBP相关因子溴结构域蛋白4(BRD4)作为“表观遗传阅读器”和转录共激活因子，通过特异性结合组蛋白尾部乙酰化的Lys50(KAc)残基来启动病毒基因的转录。
BRD4具有两个高度保守的结构域BRD4(BD1)和BRD4(BD2)，其中转录共激活因子BRD4(BD1)包含一个扩展的C末端结构域，该区域可通过结合并激活P-TEFb来触发转录延伸，而BRD4(BD2)是HIV转录的辅助抑制因子，其缺少C末端结构域，可通过招募染色质改构转换/蔗糖非发酵性复合物(SWI/SNF)到5′LTR的启动子来促进潜伏。
在BRD4(BD1)引发病毒mRNA的初始转录后，细胞中的Tat开始累积，然后与BRD4竞争P-TEFb，由于Tat促进转录延伸的效率远高于BRD4(BD1)，因此BRD4(BD1)通过截留P-TEFb对HIV转录产生负面影响。
因此，抑制BRD4蛋白的活性将增强Tat与P-TEFb的结合作用，促进病毒的转录延伸，从而产生潜伏库激活作用。此外，Tat还可以通过结合SWI/SNF改变染色体的结构暴露转录因子的结合位点来促进转录起始，上述转录因子对潜伏的调节过程已显示在图4中。
前病毒DNA整合位点的影响
前病毒DNA的整合位点也与潜伏密切相关。研究表明，约93%的前病毒基因整合发生在活化的转录基因的内含子中，由于多种潜伏因素的影响，HIV前病毒DNA能够在活化的染色质状态下依然保持转录沉默。如果前病毒DNA恰好整合到宿主染色体着丝粒附近的异染色质或长的基因空白区，其染色质环境不利于病毒基因转录，则会发生潜伏。
MiRNA对病毒基因表达的影响
人类细胞核中存在一种特殊的miRNA，这是一种小的单链非编码RNA，广泛存在于多种体液和组织，它可以直接靶向并降解宿主或病毒mRNA介导转录后的基因沉默，调节基因表达。MiRNA通过与Nef基因或HIV mRNA的3′末端相互作用来干扰HIV的复制，抑制病毒基因表达促进潜伏。细胞内的miRNA还通过抑制某些关键的细胞因子调节HIV的复制和宿主防御系统。