PNAS：诱使HIV突变而亡的变形分子

最近，来自美国芝加哥大学和麻省理工学院（MIT）的研究人员，开发出一种新的光谱方法，可有助于阐明“一种抗HIV药物如何诱导病毒遗传物质中的致死突变”这一知之甚少的分子过程。这项研究结果可能有助于开发新一代的抗病毒疗法。相关研究结果发表在最近的《PNAS》。

　　

生物通报道：最近，来自美国芝加哥大学和麻省理工学院（MIT）的研究人员，开发出一种新的光谱方法，可有助于阐明“一种抗HIV药物如何诱导病毒遗传物质中的致死突变”这一知之甚少的分子过程。这项研究结果可能有助于开发新一代的抗病毒疗法。延伸阅读：电镜术进展揭示HIV等病毒的秘密。

病毒为了适应环境压力，可以快速地变异。此功能还可以帮助它们对抗病毒药物产生耐药性。但是科学家们使用一种称为致死突变的策略，已经研制出了HIV、丙型肝炎和感冒的抗病毒药物。

这种策略试图通过促使病毒已经很高的突变率超过一个阈值，来消灭它们。如果病毒经历太多的突变，它们就不能正确地管理自己的遗传物质。

芝加哥大学Andrei Tokmakoff 教授说：“它们不能复制，所以很快就会被淘汰。为了使这种方法起效，你需要一种隐形的诱变剂，病毒不会将其识别成一个问题。”

Tokmakoff和芝加哥大学、麻省理工学院的同事，在《PNAS》报道了抗HIV药物KP1212隐身活动的新细节。研究人员利用二维红外光谱法——将超快时间分辨和化学结构高灵敏度相结合的一种先进激光技术，收集了支持数据。

关键的工具
本文共同作者、MIT化学、毒理学和生物工程教授John Essigmann指出：“二维红外光谱法是我们前进的关键。它可让我们探讨水溶液（这是细胞的自然环境）中存在的结构。”Essigmann是一家制药公司的联合创始人，该公司正在开发HIV的诱变抑制剂。

Essigmann说：“我们还做了核磁共振，其信息量是非常丰富的，但这些研究是在有机溶剂中进行的，可能不能像Tokmakoff研究小组红外研究那样准确地揭示细胞中发生了什么。”

科学家们设计了致死突变分子，如KP1212，类似于天然DNA碱基——腺嘌呤-胸腺嘧啶、胞嘧啶-鸟嘌呤碱基对。该研究的第一作者Sam Peng于2014年在MIT完成了博士论文，他指出：“这些衍生物可以结合错误的碱基伙伴，因此导致基因突变。”

KP1212是一种胞嘧啶变异，通常会在复制过程中与鸟嘌呤配对。但是，生化实验和临床试验表明，KP1212可通过与腺嘌呤配对而诱导突变。一种主导的提议是，KP1212通过变形而衍生出其致突变性——通过将其氢原子重新定位到氮原子和氧原子上，转换成一种不同的分子结构。

科学家将这种变形结构称为互变异构体。在1953年，James Watson、SB'47和Francis Crick提出了这一互变异构体假设，当时他们宣布发现了DNA的双螺旋结构。Peng指出：“在罕见互变异构体中的混合氢位置，可改变氢键结合模式，从而导致不正确的碱基配对。”

快速测量
大多数的实验工具很难区分正常结构和变形结构，因为它们之间的互相转换非常迅速。用二维红外光谱，芝加哥大学的研究人员能够区分这两种结构。该小组还能够测量，快速变形在生理条件下是如何发生的。

该研究小组希望找到仅仅两个主要互变异构体，但实验表明，还存在更多。除了采用不同于中性分子的的形式，KP1212也可以接受一个额外的质子，从而在生理酸度（pH值约为5.5至7）上给它一个正电荷，可能产生更多的重排和互变异构体结构。Tokmakoff说：“可能性的数目呈爆炸式。”

实验还表明，质子化和非质子化的形式可促进病毒的突变率。即使在质子化形式的情况下，病毒仍然突变，只是以一个较低的速度。

Peng说：“我们发现，在生理pH值条件下，KP1212可明显质子化，并且这种质子化形式可诱导甚至更高的突变率，达到约50%。”

Essigmann很惊讶又高兴地发现，该分子能变成质子化。该研究教导他的研究小组如何创造更强有力的变形——通过用原子和分子团装饰kp1212支架，进一步提高其捕获质子的能力。

Essigmann说：“KP1212大约有20%的可能成为一种理想的治疗诱变剂。光谱学提供的这些信息，指引着我们找到更好的诱变分子。”

虽然Essigmann和Tokmakoff已相识多年，但直到现在，他们都从事着看似遥远的研究方向。Tokmakoff的生物学研究涉及蛋白质，而不是DNA。但是他们两人的研究团队，首次能够对抗病毒药物治疗机制进行充分的二维红外光谱研究。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Two-dimensional IR spectroscopy of the anti-HIV agent KP1212 reveals protonated and neutral tautomers that influence pH-dependent mutagenicity
Abstract: Antiviral drugs designed to accelerate viral mutation rates can drive a viral population to extinction in a process called lethal mutagenesis. One such molecule is 5,6-dihydro-5-aza-2′-deoxycytidine (KP1212), a selective mutagen that induces A-to-G and G-to-A mutations in the genome of replicating HIV. The mutagenic property of KP1212 was hypothesized to originate from its amino–imino tautomerism, which would explain its ability to base pair with either G or A. To test the multiple tautomer hypothesis, we used 2D IR spectroscopy, which offers subpicosecond time resolution and structural sensitivity to distinguish among rapidly interconverting tautomers. We identified several KP1212 tautomers and found that >60% of neutral KP1212 is present in the enol–imino form. The abundant proportion of this traditionally rare tautomer offers a compelling structure-based mechanism for pairing with adenine. Additionally, the pKa of KP1212 was measured to be 7.0, meaning a substantial population of KP1212 is protonated at physiological pH. Furthermore, the mutagenicity of KP1212 was found to increase dramatically at pH <7, suggesting a significant biological role for the protonated KP1212 molecules. Overall, our data reveal that the bimodal mutagenic properties of KP1212 result from its unique shape shifting ability that utilizes both tautomerization and protonation.