英國鉆石光源電子生物成像中心(eBIC)的科學(xué)家們利用一種新技術(shù)，利用冷凍電子斷層掃描(cryoET)和次斷層平均(STA)來解析HIV-1衣殼的結(jié)構(gòu)單獨使用，以及與宿主細(xì)胞因子復(fù)合使用。他們的工作使他們能夠利用電子斷層掃描獲得的信息來建立整個艾滋病毒衣殼的原子模型。研究小組認(rèn)為，這可以作為開發(fā)衣殼靶向抗病毒藥物的藍(lán)圖。
eBIC主任、牛津大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)教授張培君博士領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在ScienceAdvances上發(fā)表了一篇題為“天然HIV-1核心的結(jié)構(gòu)及其與IP6和CypA。”所報告的工作涉及牛津大學(xué)、eBIC(英國鉆石光源內(nèi)的國家冷凍電子顯微鏡設(shè)施)和特拉華大學(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義RNA病毒。該研究的主要作者、牛津大學(xué)的倪濤評論道：“盡管全球努力抗擊艾滋病毒/艾滋病并取得抗病毒治療成果，但迄今為止仍有大約3800萬艾滋病毒/艾滋病患者無法完全治愈。”
HIV的RNA基因組封裝在圓錐形衣殼內(nèi)。除了在感染早期階段提供針對宿主先天免疫反應(yīng)的保護(hù)外，這種衣殼在HIV復(fù)制中發(fā)揮著重要作用，并且是“一個涉及宿主因素的主要平臺”，該團(tuán)隊繼續(xù)說道。“衣殼在HIV-1復(fù)制的早期階段發(fā)揮著多種作用，包括保護(hù)基因組免受細(xì)胞先天免疫反應(yīng)的影響，促進(jìn)逆轉(zhuǎn)錄，以及調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)運輸和進(jìn)入細(xì)胞核。”其中許多功能受到其與宿主細(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，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。在感染過程中，HIV與Gag多蛋白組裝并萌芽為未成熟的病毒體，該病毒體經(jīng)歷成熟過程，這一步驟涉及蛋白水解和構(gòu)象變化，從不成熟的球形轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓膱A錐形衣殼。
然而，由于HIV-1衣殼的亞穩(wěn)態(tài)特性，以適合高分辨率結(jié)構(gòu)分析的數(shù)量和濃度分離完全完整的天然衣殼一直具有挑戰(zhàn)性。去垢劑溶解膜后，衣殼會發(fā)生人工解離，這是衣殼純化的傳統(tǒng)方法。“為了解決這個問題，張培軍的團(tuán)隊設(shè)計了一種新穎的方法，”倪指出。“我們沒有使用洗滌劑提取，而是用一種成孔毒素在HIV病毒樣顆粒的膜上打孔，這避免了與病毒體裂解和核心分離相關(guān)的創(chuàng)傷，而且還使衣殼能夠接觸到外部細(xì)胞因子和小分子。”
作者進(jìn)一步解釋說，“……我們設(shè)計了一種新策略，通過用perfringolysinO(PFO)處理病毒顆粒，在存在或不存在外源宿主因子和小分子的情況下直接對真實的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，它在富含膽固醇的膜雙層(例如HIV-1顆粒的膜)上形成直徑約40nm的巨大同源寡聚孔。”
建立了這種實驗方法后，作者研究了真正的HIV衣殼與細(xì)胞因子親環(huán)蛋白A(CypA)和小分子輔因子IP6(肌醇六磷酸)之間的相互作用。然后他們對這些樣本進(jìn)行了電子斷層掃描和亞斷層掃描平均。“我們通過CryoETSTA對PFO穿孔的HIV-1VLP進(jìn)行成像，并確定了apo狀態(tài)和IP6存在下的HIV-1天然殼粒的結(jié)構(gòu)。”
利用這項新技術(shù)，該團(tuán)隊以約5.4Å的分辨率解析了HIV衣殼的結(jié)構(gòu)及其與CypA和IP6的復(fù)合物。這些結(jié)構(gòu)證實了成熟HIV衣殼中的雙IP6結(jié)合位點，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解。”張進(jìn)一步評論道，“與教授合作。特拉華大學(xué)的JuanPerilla團(tuán)隊利用電子斷層掃描獲得的信息，還建立了整個HIV衣殼的原子模型，該模型可以作為開發(fā)衣殼靶向抗病毒藥物的藍(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。”
作者總結(jié)道：“從技術(shù)上講，這項研究將PFO穿孔的VLP作為一種優(yōu)秀的離體系統(tǒng)來研究宿主細(xì)胞因子和真正的HIV-1衣殼之間的相互作用，從而避免了從病毒顆粒中純化亞穩(wěn)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，同時保護(hù)病毒核心。”
張開展艾滋病毒和其他傳染病的研究，她的工作重點是大分子復(fù)合物和組裝體、病毒和細(xì)胞機器的結(jié)構(gòu)和功能研究，使用綜合結(jié)構(gòu)、生化和計算方法來理解生物復(fù)雜性。
作為eBIC的主任，張教授正在建立并領(lǐng)導(dǎo)eBIC成為世界領(lǐng)先的冷凍電鏡研究、專業(yè)知識和培訓(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)來確定高分辨率的分子、細(xì)胞和組織的3D結(jié)構(gòu)，以及開發(fā)新的方法和技術(shù)來推進(jìn)3DEM成像。
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