成像突破提供了对HIV蛋白动态结构的见解

人类免疫缺陷病毒（HIV）是一种强大的病原体。它变异迅速;事实上，据估计，一个人在某个时间点感染艾滋病毒的遗传多样性等于全球一年流感的多样性。HIV还发展出保护自身免受抗体和疗法识别和攻击的结构。这些因素都导致艾滋病毒成为一种危险的、难以治疗的病毒。

研究人员对HIV如何感染细胞的生物学过程了解得越多，他们就越能设计出穿透病毒防御并摧毁病毒的治疗方法。现在，加州理工学院的研究人员已经在原子尺度上对一种难以捉摸的HIV蛋白结构进行了成像，以十亿分之一米的分辨率看到了细节。

这项工作是在大卫·巴尔的摩生物学和生物工程教授兼默金研究所教授帕梅拉·比约克曼（Pamela Björkman）的实验室进行的。11月22日，一篇描述这项研究的论文发表在《 自然 》杂志上。该研究的第一作者是加州理工学院博士后学者Kim-Marie Dam（PhD ’23）和Chengcheng Fan（PhD ’20）。

HIV主要攻击称为T细胞的免疫细胞，使它们失效，使它们无法保护体内其他细胞免受感染。当HIV病毒粒子准备进入T细胞时，它会发生一些变形变化。这些发生在病毒所谓的包膜蛋白上，包膜蛋白是病毒表面的蛋白质，使其能够进入细胞。由于包膜蛋白对病毒的感染过程非常重要，因此它们是治疗或疫苗的良好靶标。

HIV包膜蛋白是“三聚体”，类似于三脚架状的花朵，有三个“茎”部分（每个部分称为gp41）和三个“花瓣”区域（称为gp120）。为了引发感染，三种gp120蛋白中的每一种都抓住了T细胞上的一种受体，称为CD4。一旦三个CD4受体被三种gp120蛋白固定，它们就会暴露出宿主共受体识别的位点，然后从“花”的茎区域出现针状结构，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，使病毒感染细胞吗？了解这一过程可能对设计治疗方法具有重要意义。如果研究人员可以防止一个或两个CD4受体被gp120抓住，这是否足以阻止感染？为了回答这个悬而未决的问题，研究小组试图在这些情况下对包膜蛋白进行成像，只有一两个CD4结合。

“从结构上表征中间包膜构象对于了解HIV蛋白如何在基本水平上起作用非常有价值，”Dam说。

但是对这些结构进行成像是一个挑战：由于生化原因，在试管中制造“异源三聚体”或仅结合一个或两个CD4受体的包膜蛋白并不容易。通过创新的工程方法，该团队能够设计出一种方案来创建稳定的异源三聚体。然后，利用Fan在称为冷冻电子显微镜的精细程序中的专业知识，他们能够拍摄与CD4受体结合的脆弱异源三聚体结构的图像。

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变形过程。

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

然后，该团队与耶鲁大学的Walther Mothes实验室分享了结果，该实验室正在进行类似的尝试，以对异源三聚体进行成像。两个实验室之间的信息共享表明，工程异源三聚体在试管中自由漂浮的行为（蛋白质在溶液中或可溶于病毒膜，而不是与病毒膜结合）与病毒表面包膜蛋白在更“真实世界”感染场景中的行为非常相似。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，并且了解它们是否准确地模拟自然过程至关重要。

像这样的结构生物学研究不仅对研究HIV很重要，而且对许多不同种类的病毒也很重要。

“我们从艾滋病毒中学到了很多东西，”达姆说。“当 COVID-19 大流行开始时，我们将从 HIV 中学到的知识应用于 SARS-CoV-2。”

“这些以前未知的中间包膜构象的结构为宿主和病毒膜融合前受体相互作用驱动的结构变化提供了引人入胜的见解，”Björkman说。“我们的研究不仅为探索HIV感染的复杂性开辟了新的途径，而且还提供了超越治疗设计的宝贵见解，增强了我们对病毒动力学的整体理解。

这篇论文的题目是“CD4结合HIV-1 Env异源三聚体的中间构象”。除了Dam，Fan和Björkman之外，前加州理工学院研究生Zhi Yang（PhD ’22）是合著者。资金由美国国立卫生研究院、美国国家过敏和传染病研究所以及比尔和梅琳达·盖茨基金会艾滋病疫苗发现合作组织提供。