技术解析HIV衣壳结构

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技术，利用冷冻电子断层扫描(cryoET)和次断层平均(STA)来解析HIV-1衣壳的结构单独使用，以及与宿主细胞因子复合使用。他们的工作使他们能够利用电子断层扫描获得的信息来建立整个艾滋病毒衣壳的原子模型。研究小组认为，这可以作为开发衣壳靶向抗病毒药物的蓝图。

eBIC主任、牛津大学结构生物学教授张培君博士领导的研究人员在ScienceAdvances上发表了一篇题为“天然HIV-1核心的结构及其与IP6和CypA。”所报告的工作涉及牛津大学、eBIC(英国钻石光源内的国家冷冻电子显微镜设施)和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义RNA病毒。该研究的主要作者、牛津大学的倪涛评论道：“尽管全球努力抗击艾滋病毒/艾滋病并取得抗病毒治疗成果，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基因组封装在圆锥形衣壳内。除了在感染早期阶段提供针对宿主先天免疫反应的保护外，这种衣壳在HIV复制中发挥着重要作用，并且是“一个涉及宿主因素的主要平台”，该团队继续说道。“衣壳在HIV-1复制的早期阶段发挥着多种作用，包括保护基因组免受细胞先天免疫反应的影响，促进逆转录，以及调节细胞内运输和进入细胞核。”其中许多功能受到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多蛋白组装并萌芽为未成熟的病毒体，该病毒体经历成熟过程，这一步骤涉及蛋白水解和构象变化，从不成熟的球形转变为成熟的圆锥形衣壳。

然而，由于HIV-1衣壳的亚稳态特性，以适合高分辨率结构分析的数量和浓度分离完全完整的天然衣壳一直具有挑战性。去垢剂溶解膜后，衣壳会发生人工解离，这是衣壳纯化的传统方法。“为了解决这个问题，张培军的团队设计了一种新颖的方法，”倪指出。“我们没有使用洗涤剂提取，而是用一种成孔毒素在HIV病毒样颗粒的膜上打孔，这避免了与病毒体裂解和核心分离相关的创伤，而且还使衣壳能够接触到外部细胞因子和小分子。”

作者进一步解释说，“……我们设计了一种新策略，通过用perfringolysinO(PFO)处理病毒颗粒，在存在或不存在外源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，它在富含胆固醇的膜双层(例如HIV-1颗粒的膜)上形成直径约40nm的巨大同源寡聚孔。”

建立了这种实验方法后，作者研究了真正的HIV衣壳与细胞因子亲环蛋白A(CypA)和小分子辅因子IP6(肌醇六磷酸)之间的相互作用。然后他们对这些样本进行了电子断层扫描和亚断层扫描平均。“我们通过CryoETSTA对PFO穿孔的HIV-1VLP进行成像，并确定了apo状态和IP6存在下的HIV-1天然壳粒的结构。”

利用这项新技术，该团队以约5.4Å的分辨率解析了HIV衣壳的结构及其与CypA和IP6的复合物。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。”张进一步评论道，“与教授合作。特拉华大学的JuanPerilla团队利用电子断层扫描获得的信息，还建立了整个HIV衣壳的原子模型，该模型可以作为开发衣壳靶向抗病毒药物的蓝图。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作为一种优秀的离体系统来研究宿主细胞因子和真正的HIV-1衣壳之间的相互作用，从而避免了从病毒颗粒中纯化亚稳核心所固有的困难。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。”

张开展艾滋病毒和其他传染病的研究，她的工作重点是大分子复合物和组装体、病毒和细胞机器的结构和功能研究，使用综合结构、生化和计算方法来理解生物复杂性。

作为eBIC的主任，张教授正在建立并领导eBIC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来确定高分辨率的分子、细胞和组织的3D结构，以及开发新的方法和技术来推进3DEM成像。

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