基于“缠绕模型”假说的HIV-1基因重组机制研究

High-frequency genetic recombination is one of the main sources of HIV-1 genetic variation. A deep understanding of its mechanism is critical for grasping the replication, genetic variation, immunity, drug resistance and molecular evolution of HIV-1. It has been proved that HIV-1 genetic recombination originates from the "template switching" of RT during reverse transcription. Historically, with the increasing of experimental data, molecular models explaining the "template switching" mechanism have undergone multiple updates. However, there are still some key mysteries including (1) how the RT structurally recognizes and recruits the acceptor template, to which RT transfers, and then releases the donor template, with which it is associated prior to template switching; (2) how to reconcile the contradictory relationship between recombination and mutation revealed by different studies. Therefore, in view of these scientific gaps, we updated and published the "intertwinement model" and proposed that "branch structure" can lead to recombination by misleading RT. This model has been initially recognized by scholars in the field. This study intends to use electron microscopic imaging technology to observe and identify the intermediates of the model (branch structure and three-chain braided structure), and perform in vitro recombination experiments to verify the deduction of micro-recombination, further improving the "intertwinement model" and providing evidence for clarifying both recombination mechanism and prevention and treatment of HIV-1.

高频基因重组是HIV-1基因变异的主要来源之一，深入理解其机制对于掌握HIV-1的复制、遗传变异、免疫、耐药、分子进化等诸多问题至关重要。现在已经证明HIV-1基因重组源于逆转录过程中RT酶在两条模板间的“模板转换”。历史上随着实验数据的不断增加，解释“模板转换”机制的分子模型经历了多次更新。但是，对于关键的RT酶如何识别并捕获受体模板、如何丢弃脱离供体模板以及如何调和不同研究展现出的重组与突变之间相互矛盾的关系等问题均缺乏解释。因此针对这些科学问题，我们前期更新并发表了解释HIV-1基因重组的“缠绕模型”，提出“分支结构”通过介导RT酶错轨而产生重组，得到了领域内学者的初步认同。本研究拟运用电镜成像技术对此模型的中间体（分支结构和三链辫状结构）进行观察鉴定，同时开展体外模拟重组实验，对微型重组进行实验验证，进一步完善“缠绕模型”，为清晰阐明HIV的重组机制及防治提供依据。

高频基因重组是HIV-1基因变异的主要来源之一，目前通过基因重组已经形成了多达132个流行重组毒株（Circulating recombinant forms, CRFs），其中像CRF01_AE，CRF07_BC等多种流行重组毒株已经在包括中国在内的世界各地广泛流行。此外通过基因重组还产生了不计其数的独特型流行重组毒株（Unique Recombinant Forms, URFs）。因此深入理解其机制对于掌握HIV-1的复制、遗传变异、免疫、耐药、分子进化等诸多问题至关重要。现在已经证明HIV-1基因重组源于逆转录过程中RT酶在两条模板间的“模板转换”。历史上随着实验数据的不断增加，解释“模板转换”机制的分子模型经历了多次更新。但是，对于关键的RT酶如何识别并捕获受体模板、如何丢弃脱离供体模板以及如何调和不同研究展现出的重组与突变之间相互矛盾的关系等问题均缺乏解释。因此针对这些科学问题，我们前期更新并发表了解释HIV-1基因重组的“缠绕模型”，提出“分支结构”通过介导RT酶错轨而产生重组，得到了领域内学者的初步认同。本研究中我们将这一“缠绕模型”理论引入到了真核生物的DNA减数分裂重组领域，更新了此领域的双链断裂修复模型（The double strand break repair model, DSBR），使得此领域积累的实验数据和未解之谜在更新后的模型之下提供了能更好的解释。此外，在国内鉴定出了多种HIV-1新型重组体，并针对HIV Database严重缺乏HIV-1长末端重复序列（Long terminal repeats, LTRs）以及现行HIV-1分型系统未包含HIV-1 LTR区域这一现实，运用参考序列建立的四大科学原则补充建立了HIV-1 LTR分型系统。基于此分型系统，较大规模的分析了国内临床分离株LTR区域的重组情况，并首次鉴定出了4种LTR区域发生重组的重组体毒株。当前工作使得我们对包括HIV-1在内的多种基因重组机制的研究有了更加全面和深刻的理解，为领域内面临的一些列问题的解决提供了新思路。同时在对基础机制理解的基础上鉴定出了国内的新型流行重组毒株。最关键的是针对重要性逐年上升的HIV-1 LTR区域，补充了分型系统，建立了参考序列，为清晰阐明HIV的重组机制及为HIV-1进化、传播和临床诊断治疗提供了新方法新思路。