成像技术的突破：深入了解HIV蛋白质的动态结构

B.G505 HT1与一个CD4结合的冷冻电镜结构显示了闭合的预融合Env构象。a，3.4埃I类CD4-HT1密度图侧视图。b，自上而下的卡通表示I类CD4-HT1和B.G505（PDB 6UDJ；未显示1-18和10-1074抗体）的结构，突出了gp120的V1V2和V3环。c，总结I类CD4-HT1和CD4-B.G505（PDB 6CM3）复合物中CD4结合的gp120上的BSA的表格。d，I类CD4-HT1和CD4-B.G505（PDB 6CM3）的表面表示比较。e，表面表示描绘疏水性（Kyte-Doolittle量表49）为1-18-B.G505（PDB 6UDJ）、I类CD4-HT1和CD4-B.G505（PDB 6CM3），并用Phe43空腔内的gp120残基的棒状表示叠加。    

人类免疫缺陷病毒（HIV）是一种极为危险的病原体。其变异速度极快；事实上，据估计，HIV在单个人体内某一时刻的基因多样性相当于全球流感病毒一年的多样性。HIV还形成了结构来保护自身免受抗体和药物的识别和攻击。这些因素都使HIV成为一种危险且难以治疗的病毒。

研究人员对HIV感染细胞方式的生物过程了解得越多，就越能设计出有效的治疗方法来突破病毒的防御并摧毁它。现在，加州理工学院的研究人员以原子尺度成像了难以捉摸的HIV蛋白结构，以0.1纳米（十亿分之一米）的分辨率看到了它的细节。

这项工作是在生物学家兼生物工程师David Baltimore教授和梅尔金研究所教授Pamela Bjorkman的实验室进行的。描述这项研究的论文发表在《自然》杂志上。这项研究的第一作者是加州理工学院博士后学者Kim-Marie Dam和Chengcheng Fan。

HIV主要攻击称为T细胞的免疫细胞，使它们失效，这样它们就不能保护身体的其他细胞免受感染。当HIV病毒准备进入T细胞时，它会经历一些形状变化。这些变化发生在病毒所谓的包膜蛋白上，这是病毒表面上的蛋白质，使它能够进入细胞。由于包膜蛋白对病毒的感染过程至关重要，因此它们是治疗药物或疫苗的良好靶点。

“HIV的包膜蛋白是‘三聚体’，类似于有三条‘支柱’的花朵，每条支柱部分称为gp41，三条‘花瓣’区域称为gp120。为了开始感染，三个gp120蛋白中的每一个都抓住T细胞上的一种称为CD4的受体。一旦三个CD4受体被三个gp120蛋白固定住，它们就会暴露出由宿主共受体识别的位点，然后从‘花朵’的茎部分伸出一个针状结构，使病毒能够感染并进入人体细胞。”

但是，如果包膜蛋白的gp120“花瓣”只能抓住一个或两个CD4受体呢？包膜蛋白还能完全打开使病毒可以感染细胞吗？了解这个过程可能对设计治疗药物具有重要意义。如果研究人员能够阻止一个或两个CD4受体被一个gp120抓住，这是否足以阻止感染？为了回答这个未解的问题，该团队试图在这些情况下对包膜蛋白进行成像，只绑定一个或两个CD4。   

“从结构上表征中间体包膜构象对于理解HIV蛋白如何在基础水平上起作用是极其有价值的，”Dam说。

但是，对这些结构进行成像是一项挑战：由于生化方面的原因，在试管中创建“异三聚体”或仅结合一个或两个CD4受体的包膜蛋白并非易事。通过一种创新的工程方法，该团队设计了一种方案来创建稳定的异三聚体。然后，利用范在一种称为冷冻电子显微镜的微妙程序方面的专业知识，他们能够拍摄到脆弱异三聚体与CD4受体结合的结构图像。

这些结构表明，如果只有一个或两个CD4受体结合，包膜蛋白就不能完全打开并经历与感染相关的形状变化过程。

Dam说:“这项工作带来的一个主要问题是：没有完全打开的包膜蛋白还能促进感染吗？”            

但对这些结构进行成像是一项挑战：由于生化方面的原因，在试管中创建“异三聚体”，或仅结合一个或两个CD4受体的包膜蛋白并不容易。通过一种创新的工程方法，该团队设计了一种方案来创建稳定的异三聚体。接着，利用范在一种称为冷冻电子显微镜的微妙程序方面的专业知识，他们能够拍摄到这些脆弱的异三聚体与CD4受体结合的结构图像。

这些结构表明，如果只有一个或两个CD4受体结合，包膜蛋白就不能完全打开并经历与感染相关的形状变化过程。

Dam说:“这项工作带来的一个主要问题是：没有完全打开的包膜蛋白是否仍然能促进感染？”

然后，该团队与耶鲁大学的沃尔特·莫特斯实验室分享了这一结果，该实验室正在进行类似的尝试以成像异三聚体。两个实验室之间的信息共享表明，工程化异三聚体在试管中自由漂浮（一种实验装置，蛋白质处于溶液或可溶状态，而不是与病毒膜结合）的行为与病毒表面上的包膜蛋白在更“真实世界”的感染情况下的行为非常相似。           

这是一个重要的发现，因为可溶性结构被用作开发新疗法的基础，并且知道它们是否准确地模拟自然过程是至关重要的。   

这样的结构生物学研究不仅对研究HIV而且对许多不同类型的病毒都很重要。

Dam说:“我们从HIV身上学到了很多东西。当COVID-19大流行开始时，我们将从HIV身上学到的东西应用到了SARS-CoV-2上。”

Bjorkman说:“这些以前未知的中间包膜构象的结构提供了关于受体相互作用驱动的结构变化以及宿主和病毒膜融合前的迷人见解。”

“我们的研究不仅为探索HIV感染的复杂性开辟了新的途径，而且提供了超越治疗设计的有价值的见解，增强我们对病毒动态的整体理解。”

参考来源

 Dam, KM.A. et al, Intermediate conformations of CD4-bound HIV-1 Env heterotrimers, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06639-8. www.nature.com/articles/s41586-023-06639-8    

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