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Nature:首次捕捉到HIV包膜蛋白过渡状态的结构图

发布时间: 2017-07-17 23:52     来源: 生物谷

CD4和b12让Env处于一种开放的嵌合前构象,但是CD4单独仅让HIV入侵所需的辅助受体结合位点暴露出来,图片来自Scripps Research Institute。
 
  在全世界,人免疫缺陷病毒(HV)当前感染着大约3700万人。HIV具有一种关键的被称作包膜蛋白(Env)三聚体的蛋白复合物。开发一种能够阻断而不仅是控制HIV感染的疫苗在很大程度上受到Env的复杂结构的阻碍。
  在一项新的研究中,来自美国斯克里普斯研究所(TSRI)、沙克生物研究所和康奈尔大学威尔医学院的研究人员首次解析出Env蛋白复合物的原子水平的特写结构图。这种结构图揭示出Env三聚体的不同部分之间发生的复杂构象变化。这些构象变化仅在这种病毒在正常情形下与一个免疫细胞的质膜融合之前发生。这些发现可能为设计HIV疫苗提供潜在的新靶标。相关研究于2017年7月12日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Open and closed structures reveal allostery and pliability in the HIV-1 envelope spike”。
  论文通信作者、TSRI副教授Andrew Ward说,“人们可能将这视为之前已知的HIV融合前状态和融合后状态之间的‘缺失的一环’。”
  这种结构图也让科学家们迄今为止最为清晰地观察到Env的可塑性,这种可塑性在附着到人细胞表面上之前持续地在不同的构象之间进行转换。
  论文共同第一作者、TSRI高级研究员Gabriel Ozorowski说,“几项其他的研究已发现Env三聚体发生构象变化的证据。在这里,我们能够捕获到Env的两种不同构象状态的高分辨率结构图。”
  Ward说,“通过理解这种融合中间状态的分子细节,我们能够推断这种三聚体如何在不同状态之间转换,并且设计阻断这些转换的突变或分子。”
  一种难以捕捉的靶标
  HIV的Env蛋白复合物由三个相同的蘑菇形状的结构组成,每个结构含有一个茎状的亚基(gp41)和一个被称作gp120的帽状区域。这些结构彼此之间仅是松散地连接在一起,从而能够让这种三聚体改变形状,并且使得它很难研究,也很难利用药物靶向它。此外,这种三聚体也频繁地让它的最外面的“可变环(variable loop)”区域发生突变从而躲避免疫攻击,而且它的表面被复杂的糖分子(被称作聚糖)包被着,从而掩盖住潜在的药物结合位点。
  但是通过捕捉到Env在一种让这种三聚体表面上之前未知的区域暴露出来的构象下的结构图,这种结构给药物开发者展现出了有趣的新前景。
  Ward说,“如果我们能够利用小分子靶向这种结构中新发现的口袋,那么就有潜力制造出新的融合抑制剂药物。”
  得益于一种替代物
  这些研究人员解析出的Env结构图实际上是将利用冷冻电镜(Cryo-EM)拍摄的几千张图片进行数字化拼凑在一起形成的复合图象。
  若要HIV感染发生,Env首先必须结合T细胞外表面上的两个蛋白:先是结合被称作CD4的膜受体,随后结合一个被称作CXCR4或CCR5的辅助受体。在这项新的研究中,这些研究人员构建出一种蛋白,该蛋白包括一种结合到CD4和17b上的修饰性Env(经过基因改造提高其稳定性)。作为一种人抗体,17b类似于CXCR4/CCR5,被用作这些辅助受体的替代物。这种三聚体复合物随后被嵌入到薄薄的一层冰中,并且被放置在冷冻电镜中进行成像。
  论文共同第一作者、TSRI高级研究员Jesper Pallesen说,“电子束被这些蛋白原子散射,从而获得详细的二维图片。我们拍摄了大约2000张图片,每张图片含有上千个在随机定向下冻存的Env复合物。我们通过计算让它们对齐,从而构建出高分辨率的三维结构图。”
  一种新的状态
  Env的这种新的处于它的“融合中间”状态的结构图揭示出一旦结合CD4,gp120的V1和V2可变环翻转远离这种三聚体的中心,从而暴露出这种辅助受体结合位点。CD4结合也触发gp41茎状结构的一部分自我重排而在这种三聚体的内部产生一种小的口袋空间。当为了准备膜融合,这种口袋从这种三聚体的底部移向内部时,它起着稳定gp41中的融合肽(即一种让自我附着到宿主细胞上的氨基酸序列)的作用。
  由于HIV的这种融合肽在感染中发挥着至关重要的作用,它特别抵抗突变,因而是一种广受欢迎的药物靶标。Pallesen说,“如果能够靶向这段特定的氨基酸序列,那么这种病毒就会无处可逃。”
  然而,经证实攻击这个靶标实际上是较困难的,这是因为这种融合肽很少保持静止不动。Ozorowski说,“在CD4结合之前,这种融合肽在这种三聚体的外面漂浮和摇荡。我们首次在我们的结构中观察到当Env结合CD4时,为准备结合到宿主细胞膜上,这种融合肽向这种三聚体的内部更近地移动,并且获得一种更加稳定的状态。”
  构象变化
  这些研究人员也开展了第二个抗体替代物实验,从而获得迄今为止最为清晰的能够改变形状的Env的结构图。Ward说,“鉴于Env是一种亚稳态的融合机器,人们长期以来就已了解到它必须是一种具有可塑性的结构。”
  利用一种具有类似形状的抗体b12替换CD4,这些研究人员能够证实除了一种“封闭”状态(CD4结合位点受到隐藏)和一种开放状态(准备CD4结合)之外,Env也扭曲成一种部分开放的容纳得下b12但容纳不下CD4的构象。
  Ozorowski说,“若要感染发生,这种三聚体必须从一种封闭状态转换到一种开放状态,从而使得这种融合肽接近于宿主细胞。对多种状态进行取样分析可能使得Env更容易在不同状态之间进行切换。我们证实尽管存在这些不同的构象,每种构象仍然表现出一定程度的稳定性。”
  这种稳定的亚状态(meta-state)是药物开发者能够利用的另一种途径。Pallesen说,“我们如今能够探究这种新的构象来发现Env表面上的新的可利用药物加以靶向的口袋。因此,它为抵抗HIV感染打开另一个武器库。”
  参考资料:

  Gabriel Ozorowski,Jesper Pallesen,Natalia de Val et al.Open and closed structures reveal allostery and pliability in the HIV-1 envelope spike.Nature,Published online 12 July 2017,doi:10.1038/nature23010

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