Sci Adv | 冷凍電子斷層掃描技術(shù)解決HIV衣殼結(jié)構(gòu)

原創(chuàng)?圖靈基因?圖靈基因?2021-11-30 07:03

收錄于話題#前沿分子生物學(xué)技術(shù)

英國(guó)鉆石光源電子生物成像中心（eBIC）的科學(xué)家們利用一種新的技術(shù)，使用冷凍電子斷層掃描（cryoET）和亞斷層圖平均（STA）來(lái)解析HIV-1衣殼單獨(dú)的結(jié)構(gòu)，以及與宿主細(xì)胞因子的復(fù)合。他們的工作使他們能夠利用從電子斷層掃描中獲得的信息，建立整個(gè)HIV衣殼的原子模型。該團(tuán)隊(duì)相信，這可以作為開(kāi)發(fā)衣殼靶向抗病毒藥物的藍(lán)圖。

由eBIC主任兼牛津大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)教授Peijun Zhang博士領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在《Science Advances》雜志上發(fā)表的一篇題為“Structure of native HIV-1 cores and their interactions with IP6 and CypA”的文章中報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。報(bào)告的工作涉及牛津大學(xué)、eBIC（the U.K.’s national cryo-electron microscopy facility within Diamond Light Source）以及特拉華大學(xué)的科學(xué)家之間的合作。

HIV等逆轉(zhuǎn)錄病毒是有包膜的單鏈正鏈RNA病毒。該研究的主要作者、牛津大學(xué)的Tao Ni評(píng)論說(shuō)：“盡管全球致力于防治艾滋病毒/艾滋病并取得了抗病毒治療的成果，但迄今為止仍有大約3800萬(wàn)艾滋病毒/艾滋病患者無(wú)法完全治愈。”

HIV的RNA基因組被包裹在一個(gè)錐形的衣殼內(nèi)。除了在感染的早期階段為宿主先天免疫反應(yīng)提供保護(hù)外，這種衣殼在HIV復(fù)制中也起著至關(guān)重要的作用，并且是“一個(gè)與宿主因素相關(guān)的主要平臺(tái)”，該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)說(shuō)道。“衣殼在HIV-1復(fù)制的早期階段發(fā)揮著多重作用，包括保護(hù)基因組免受細(xì)胞先天免疫反應(yīng)的影響和促進(jìn)逆轉(zhuǎn)錄，以及調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和進(jìn)入細(xì)胞核?！逼渲性S多功能受其與宿主細(xì)胞因子和小分子相互作用的影響。

當(dāng)逆轉(zhuǎn)錄病毒感染細(xì)胞時(shí)，病毒RNA基因組被逆轉(zhuǎn)錄成雙鏈DNA，然后整合到宿主基因組中。在感染過(guò)程中，HIV與Gag多蛋白以未成熟病毒粒子的形式聚集和萌發(fā)，并經(jīng)歷成熟過(guò)程，這一過(guò)程涉及蛋白質(zhì)水解和構(gòu)象變化，從未成熟的球形轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓腻F形衣殼。

然而，由于HIV-1衣殼的亞穩(wěn)態(tài)特性，分離出數(shù)量和濃度均適合于高分辨率結(jié)構(gòu)分析的完全完整的天然衣殼一直具有挑戰(zhàn)性。膜被洗滌劑溶解后，衣殼會(huì)發(fā)生人為解離，這是衣殼純化的傳統(tǒng)方式?！盀榱私鉀Q這個(gè)問(wèn)題，Peijun Zhang的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新的方法?！盢i說(shuō)，“我們沒(méi)有提取洗滌劑，而是在HIV病毒樣顆粒的膜上添加了一種成孔毒素，這避免了與病毒粒子溶解和核分離相關(guān)的創(chuàng)傷，同時(shí)也使外殼易于接觸外部細(xì)胞因子和小分子?！?/p>

作者進(jìn)一步解釋道，“……我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的策略，通過(guò)用穿孔素溶血素O（PFO）處理病毒顆粒，在沒(méi)有或存在外源性宿主因子和小分子的情況下，直接對(duì)真實(shí)的HIV-1核心進(jìn)行成像。PFO是一種由致病性產(chǎn)氣莢膜梭菌分泌的膽固醇依賴性溶細(xì)胞素，在富含膽固醇的雙層膜（如HIV-1顆粒膜）上形成直徑約40 nm的巨大同源寡聚孔?！?/p>

建立了這一實(shí)驗(yàn)方法后，作者研究了真實(shí)的HIV衣殼與細(xì)胞因子親環(huán)素a（CypA）和小分子輔因子IP6（六磷酸肌醇）之間的相互作用。然后他們應(yīng)用了電子斷層掃描和亞斷層掃描對(duì)這些樣本求平均值?！拔覀兺ㄟ^(guò)cryoET STA對(duì)PFO穿孔的HIV-1 VLP進(jìn)行成像，并確定了在載脂蛋白狀態(tài)和存在IP6的情況下HIV-1天然帽狀體的結(jié)構(gòu)?！?/p>

利用這項(xiàng)新技術(shù)，研究小組僅解決了HIV衣殼的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，并以大約5.4?的分辨率解決了它與CypA和IP6的復(fù)合物問(wèn)題。這些結(jié)構(gòu)證實(shí)了成熟HIV衣殼中的雙IP6結(jié)合位點(diǎn)，并為IP6和CypA在調(diào)節(jié)HIV衣殼穩(wěn)定性中的作用提供了新的見(jiàn)解。Zhang進(jìn)一步評(píng)論說(shuō)，“與Juan Perilla教授在特拉華大學(xué)的研究小組合作，利用電子斷層掃描獲得的信息，我們還建立了整個(gè)HIV衣殼的原子模型，該模型可作為開(kāi)發(fā)針對(duì)衣殼的抗病毒藥物的藍(lán)圖。包膜病毒膜的穿孔也為研究其他病毒系統(tǒng)的宿主-病毒相互作用提供了一種新方法?！?/p>

作者總結(jié)道：“從技術(shù)上講，這項(xiàng)研究將PFO穿孔的VLP確立為一個(gè)優(yōu)秀的體外系統(tǒng)，用于研究宿主細(xì)胞因子與真正的HIV-1衣殼之間的相互作用，規(guī)避了從病毒粒子中純化亞穩(wěn)態(tài)核心所固有的困難。穿孔的VLP使宿主細(xì)胞因子和小分子能夠進(jìn)入天然衣殼，同時(shí)保護(hù)病毒核心。”

Zhang從事HIV和其他傳染病的研究，她的工作重點(diǎn)是大分子復(fù)合物和組件、病毒和細(xì)胞機(jī)制的結(jié)構(gòu)和功能研究，使用綜合結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)和計(jì)算方法來(lái)理解生物復(fù)雜性。

作為eBIC的負(fù)責(zé)人，張教授正在建立和領(lǐng)導(dǎo)eBIC，使其成為世界領(lǐng)先的冷凍電鏡研究、專業(yè)知識(shí)和培訓(xùn)中心，以及提供尖端冷凍電鏡技術(shù)的用戶設(shè)施。eBIC專注于使用最先進(jìn)的電子顯微技術(shù)以高分辨率確定分子、細(xì)胞和組織的3D結(jié)構(gòu)，并開(kāi)發(fā)新的方法和技術(shù)來(lái)推進(jìn)3D EM成像。