研究人员揭示了难以捉摸的艾滋病毒蛋白质结构为靶向治疗铺平了道路

人类免疫缺陷病毒(HIV)是一种可怕的病原体。它突变得很快;事实上，估计表明，一个人在某个时间点的艾滋病毒遗传多样性相当于全球一年内流感的遗传多样性。HIV还发展出了保护自身免受抗体和治疗方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。

研究人员对艾滋病毒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它的治疗方法。现在，加州理工学院的研究人员在原子尺度上对一种难以捉摸的艾滋病毒蛋白质结构进行了成像，以十亿分之一米的分辨率看到了细节。

这项工作是在帕梅拉·比约克曼(PamelaBjörkman)的实验室进行的，她是大卫·巴尔的摩生物学和生物工程教授兼默金研究所教授。一篇描述该研究的论文发表在11月22日的《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-MarieDam(博士'23)和ChengChengFan(博士'20)。

HIV主要攻击称为T细胞的免疫细胞，使它们丧失功能，使其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，它会经历一些形状变化。这些发生在病毒所谓的包膜蛋白上，即病毒表面的蛋白质，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，具有三个“茎”部分(每个部分称为gp41)和三个“花瓣”区域(称为gp120)。为了启动感染，三种gp120蛋白中的每一种都会抓住T细胞上的一种受体，称为CD4。一旦三个CD4受体被三个gp120蛋白固定，它们就会暴露出宿主辅助受体识别的位点，然后针状结构从“花”的茎部区域出现，使病毒能够感染并获得病毒。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受体怎么办?包膜蛋白还能完全打开以便病毒可以感染细胞吗?了解这一过程可能对设计治疗方法具有重大意义。如果研究人员能够阻止gp120抓住一两个CD4受体，这是否足以阻止感染?为了回答这个悬而未决的问题，研究小组试图对这些场景中仅结合一两个CD4的包膜蛋白进行成像。

Dam说：“从结构上表征中间包膜构象对于了解HIV蛋白如何在基础水平上发挥作用非常有价值。”

但对这些结构进行成像是一项挑战：由于生化原因，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，利用范在冷冻电子显微镜这一精密程序中的专业知识，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，如果仅结合一两个CD4受体，包膜蛋白就无法完全打开并经历与感染相关的变形过程。

“这项工作提出的一个主要问题是：未完全打开的包膜蛋白是否仍会促进感染?”达姆说。

研究小组随后与耶鲁大学WaltherMothes实验室分享了结果，该实验室正在进行类似的异源三聚体成像尝试。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(一种实验装置，其中蛋白质处于溶液中或可溶性，而不是与病毒膜结合)与病毒表面的包膜蛋白非常相似在更“真实世界”的感染场景中表现。这是一个重要的发现，因为可溶性构建体被用作开发新疗法的基础，并且了解它们是否准确模仿自然过程至关重要。

像这样的结构生物学研究不仅对研究艾滋病毒很重要，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。”

Björkman说：“这些以前未知的中间包膜构象的结构为了解宿主和病毒膜融合之前受体相互作用驱动的结构变化提供了令人着迷的见解。”“我们的研究不仅为探索艾滋病毒感染的复杂性开辟了新途径，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态的整体理解。”

该论文的标题是“CD4结合的HIV-1Env异三聚体的中间构象”。除了Dam、Fan和Björkman之外，加州理工学院前研究生zhiYang(PhD'22)也是该论文的合著者。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研发合作项目提供。