2021-11-30

Sci Adv | 冷冻电子断层扫描技术解决HIV衣壳结构

原创 图灵基因 图灵基因 2021-11-30 07:03

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英国钻石光源电子生物成像中心（eBIC）的科学家们利用一种新的技术，使用冷冻电子断层扫描（cryoET）和亚断层图平均（STA）来解析HIV-1衣壳单独的结构，以及与宿主细胞因子的复合。他们的工作使他们能够利用从电子断层扫描中获得的信息，建立整个HIV衣壳的原子模型。该团队相信，这可以作为开发衣壳靶向抗病毒药物的蓝图。

由eBIC主任兼牛津大学结构生物学教授Peijun Zhang博士领导的研究人员在《Science Advances》杂志上发表的一篇题为“Structure of native HIV-1 cores and their interactions with IP6 and CypA”的文章中报告了他们的发现。报告的工作涉及牛津大学、eBIC（the U.K.’s national cryo-electron microscopy facility within Diamond Light Source）以及特拉华大学的科学家之间的合作。

HIV等逆转录病毒是有包膜的单链正链RNA病毒。该研究的主要作者、牛津大学的Tao Ni评论说：“尽管全球致力于防治艾滋病毒/艾滋病并取得了抗病毒治疗的成果，但迄今为止仍有大约3800万艾滋病毒/艾滋病患者无法完全治愈。”

HIV的RNA基因组被包裹在一个锥形的衣壳内。除了在感染的早期阶段为宿主先天免疫反应提供保护外，这种衣壳在HIV复制中也起着至关重要的作用，并且是“一个与宿主因素相关的主要平台”，该团队继续说道。“衣壳在HIV-1复制的早期阶段发挥着多重作用，包括保护基因组免受细胞先天免疫反应的影响和促进逆转录，以及调节细胞内转运和进入细胞核。”其中许多功能受其与宿主细胞因子和小分子相互作用的影响。

当逆转录病毒感染细胞时，病毒RNA基因组被逆转录成双链DNA，然后整合到宿主基因组中。在感染过程中，HIV与Gag多蛋白以未成熟病毒粒子的形式聚集和萌发，并经历成熟过程，这一过程涉及蛋白质水解和构象变化，从未成熟的球形转变为成熟的锥形衣壳。

然而，由于HIV-1衣壳的亚稳态特性，分离出数量和浓度均适合于高分辨率结构分析的完全完整的天然衣壳一直具有挑战性。膜被洗涤剂溶解后，衣壳会发生人为解离，这是衣壳纯化的传统方式。“为了解决这个问题，Peijun Zhang的团队设计了一种新的方法。”Ni说，“我们没有提取洗涤剂，而是在HIV病毒样颗粒的膜上添加了一种成孔毒素，这避免了与病毒粒子溶解和核分离相关的创伤，同时也使外壳易于接触外部细胞因子和小分子。”

作者进一步解释道，“……我们设计了一种新的策略，通过用穿孔素溶血素O（PFO）处理病毒颗粒，在没有或存在外源性宿主因子和小分子的情况下，直接对真实的HIV-1核心进行成像。PFO是一种由致病性产气荚膜梭菌分泌的胆固醇依赖性溶细胞素，在富含胆固醇的双层膜（如HIV-1颗粒膜）上形成直径约40 nm的巨大同源寡聚孔。”

建立了这一实验方法后，作者研究了真实的HIV衣壳与细胞因子亲环素a（CypA）和小分子辅因子IP6（六磷酸肌醇）之间的相互作用。然后他们应用了电子断层扫描和亚断层扫描对这些样本求平均值。“我们通过cryoET STA对PFO穿孔的HIV-1 VLP进行成像，并确定了在载脂蛋白状态和存在IP6的情况下HIV-1天然帽状体的结构。”

利用这项新技术，研究小组仅解决了HIV衣壳的结构问题，并以大约5.4Å的分辨率解决了它与CypA和IP6的复合物问题。这些结构证实了成熟HIV衣壳中的双IP6结合位点，并为IP6和CypA在调节HIV衣壳稳定性中的作用提供了新的见解。Zhang进一步评论说，“与Juan Perilla教授在特拉华大学的研究小组合作，利用电子断层扫描获得的信息，我们还建立了整个HIV衣壳的原子模型，该模型可作为开发针对衣壳的抗病毒药物的蓝图。包膜病毒膜的穿孔也为研究其他病毒系统的宿主-病毒相互作用提供了一种新方法。”

作者总结道：“从技术上讲，这项研究将PFO穿孔的VLP确立为一个优秀的体外系统，用于研究宿主细胞因子与真正的HIV-1衣壳之间的相互作用，规避了从病毒粒子中纯化亚稳态核心所固有的困难。穿孔的VLP使宿主细胞因子和小分子能够进入天然衣壳，同时保护病毒核心。”

Zhang从事HIV和其他传染病的研究，她的工作重点是大分子复合物和组件、病毒和细胞机制的结构和功能研究，使用综合结构、生物化学和计算方法来理解生物复杂性。

作为eBIC的负责人，张教授正在建立和领导eBIC，使其成为世界领先的冷冻电镜研究、专业知识和培训中心，以及提供尖端冷冻电镜技术的用户设施。eBIC专注于使用最先进的电子显微技术以高分辨率确定分子、细胞和组织的3D结构，并开发新的方法和技术来推进3D EM成像。