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HIV-1的外壳包裹着它的遗传物质，在它破裂释放其致命的遗传货物之前一直到达被感染的白血球的细胞核。基于实验证据的模拟是在TACC的Frontera超级计算机上开发的，并揭示了在关键的破裂阶段之前帽状体的应力-应变模式，表明有潜在的漏洞可供药物设计利用。图片显示了HIV-1外壳的应变，红色和蓝色分别对应压缩应变和膨胀应变。
关于HIV-1病毒如何感染我们的细胞，仍有许多东西有待发现。科学家们知道，它避开了我们免疫系统的防御，进入白血球以传递其基因载荷并劫持细胞的转录机器，进而产生病毒RNA的副本和新的HIV-1病毒。但许多细节仍然模糊不清。2021年的一项重大实验发现为这个谜团带来了一些曙光，并发现病毒的外壳，一个保护其RNA基因组的蛋白质包膜，在进入目标细胞的细胞核时一直保持完整。最终，帽状体必须保持足够长的稳定性，以便将其致命的基因货物带入细胞核。但最终，它必须破裂以释放其遗传物质。科学家们还不知道的是，HIV-1病毒的外壳如何以及为什么会变得不稳定。德克萨斯大学奥斯汀分校德克萨斯高级计算中心的Frontera超级计算机进一步加深了科学家对HIV-1病毒如何感染的理解，并帮助生成了其外壳的第一个现实模拟，包括其蛋白质、水、遗传物质和最近发现的一种名为IP6的关键辅助因子，以稳定和帮助形成外壳。"芝加哥大学Haig P. Papazian杰出服务教授Gregory Voth说："通过这些非常大的模拟和我们所做的分析，发现了HIV-1病毒外壳的漏洞。Voth是2022年3月发表在《美国国家科学院院刊》上的HIV-1外壳研究的主要作者。
Voth及其同事从马克斯-普朗克生物化学研究所细胞和病毒结构部的共同作者John Briggs的实验室获得的实际病毒的低温电子断层扫描数据开始。利用这些实验数据，他们开发了一个HIV-1病毒外壳的全原子分子动力学模拟，接近1亿个原子。
TACC的Frontera超级计算机是美国国家科学基金会资助的戴尔-英特尔系统，被Top500评为美国第一快的大学计算机（2022年6月）
该研究中的图像显示了帽状体上的条纹，这表明了应力应变。它们准确地指出了蛋白质晶格被压缩或膨胀的地方，并且正在经历折磨的应变，这告诉科学家们，应力-应变并不是完美分布的。Voth说："这非常关键，因为我们能够将这些晶格如何受力的模式与帽状体如何实际断裂联系起来。当HIV-1病毒外壳开始进行逆转录并开始产生DNA时，这些应力应变条纹应该容易受到HIV-1病毒外壳内产生的压力的影响。"作者总结说，通过研究合作者之一、弗吉尼亚大学分子生理学和生物物理学系的Owen Pornillos的额外低温电子断层扫描实验，应力-应变模式与帽状体如何破裂有很好的关联。"Voth说："这是迄今为止对HIV外壳最真实的模拟研究。"我们还可以看到，包入这种病毒外壳的蛋白质的构象与在更简单的晶体结构或体外重组中看到的构象有些不同"。Voth指出，特拉华大学的Juan R. Perilla和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校已故的Klaus Schulten及合作者在2017年发表在《自然》杂志上的前期工作。这些作者在 "蓝水 "超级计算机上开发了第一个HIV-1外壳的模型。然而，尽管它在当时具有开拓性，但它缺乏内部的遗传物质，即IP6辅助因子，并且不是根据实际病毒外壳的低温电子断层扫描数据建立的。
成熟的HIV-1包膜在大小和形状上有明显的变化。(A) 从完整病毒的低温ET图像中得出的HIV-1外壳的富勒烯几何图形。帽膜的原子模型包含（B）帽膜内部的液态水，（C）核糖核蛋白（RNP）复合物模型，（D）结合在帽膜孔上的IP6分子，或者（E）RNP和IP6。CA NTD和CTD的颜色为绿色和棕色，而基因组RNA、核衣壳蛋白和IP6分子分别为紫色、茶色和橙色。五聚体缺陷用红色表示。
新的模型建立在所有这些缺失的元素中。Voth说："我们的工作是在现实建模方面向前迈出的一大步，我认为这使我们对这个帽状体有了更大的了解。"药物公司Gilead在生产HIV-1治疗药物lenacapavir时采取的一种方法是利用有关HIV-1病毒外壳的知识，使其更加脆弱，从而干扰其释放遗传物质之前的关键破裂阶段。"这就是我们现在正在做的事情，"Voth说，"就是研究，鉴于这种病毒外壳的异质性，我们能否了解药物如何与之相互作用，以及我们能否设计出新的药物？"更重要的是，药物设计者对一箭双雕的制药潜力感兴趣，其中一个药物分子与帽状蛋白晶格结合，这反过来又帮助另一个药物分子结合。Voth说："超级计算机与我们开发的方法相结合，帮助揭示了HIV-1病毒的基本要素，而这些要素目前在实验上极难探测。我认为，除了在Frontera上，我们不可能在其他地方轻易地完成这些模拟。这对我们来说是一个非常宝贵的资源"。该研究的作者是芝加哥大学的Elizabeth Lee、Alvin Yu和Gregory Voth；马克斯普朗克生物化学研究所的John Briggs；以及弗吉尼亚大学的Barbie Ganser-Pornillos和Owen Pornillos。
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