HIV-1糖蛋白结构的瞬间开放和关闭变化

研究人员使用了一种称为时间分辨温度跳跃(TR, T-Jump)小角度X射线散射(SAXS)的技术来捕捉HIV-1包膜糖蛋白经历结构重排的惊人短暂时刻，这对病毒进入人类细胞至关重要。研究小组的结果显示了HIV-1糖蛋白表面的这一小部分是如何在百万分之一秒内打开和关闭的。

　　

杜克大学人类疫苗研究所(DHVI)的研究人员使用了一种称为时间分辨温度跳跃(TR, T-Jump)小角度X射线散射(SAXS)的技术来捕捉HIV-1包膜(Env)糖蛋白经历结构重排的惊人短暂时刻，这对病毒进入人类细胞至关重要。该团队的研究结果显示，HIV-1糖蛋白表面的一小部分是如何在百万分之一秒内打开和关闭的，这可以帮助科学家设计和开发广泛中和的抗体，以防止这种结构打开，作为艾滋病疫苗的基础。

研究负责人Rory Henderson博士是DHVI的一名结构生物学家，也是医学副教授，他和同事们在《Science Advances》上发表了一篇题为“微秒动力学控制HIV-1包膜构象”的论文，他们在论文中得出结论:“我们的研究结果表明微秒时间尺度结构动力学在控制Env构象方面起着至关重要的作用，对疫苗设计产生了影响。”

作者解释说，HIV-1包膜糖蛋白介导病毒附着在宿主细胞的CD4受体上，并通过一系列复杂的相互作用和结构转变进入宿主细胞，最终导致病毒-宿主细胞膜融合和宿主细胞感染。Env外结构域由三个异源原蛋白组成，每个异源原蛋白由一个受体结合的gp120结构域和包含gp41结构域的融合机制组成。在预融合封闭状态下，gp120结构域围绕gp41结构域，从而在CD4受体和CCR5/CXCR4共受体结合之前隔离融合机制。”

艾滋病研究人员一直在试图了解病毒融合、进入和过渡结构状态的确切机制，但是，正如该团队所写，“尽管在理解各种Env构象的结构方面取得了显著进展，但微秒时间尺度的动力学还没有得到实验研究。”然而，Env结构和动力学的知识在HIV-1疫苗免疫原的设计中发挥了重要作用，研究小组继续说。但是，当包膜的一部分不断移动以逃避免疫系统时，疫苗免疫原被设计成保持相对稳定。“防止预融合的转变，封闭确认被认为是选择功能上不可能的广泛中和抗体突变用于接种中和诱导的必要条件。”

通过他们最新报道的研究，Henderson和他的同事以微秒级的精度监测了HIV-1 Env的结构重排，并能够捕捉到以前未知的结构转变。"从我们所了解到的情况来看，所有人为稳定这个(结构)所做的一切都不会奏效。" Henderson说。“并不是他们做错了什么;只是我们不知道它是这样运动的。”

当病毒在人类T细胞上寻找最佳附着点时，宿主细胞的CD4受体是它首先附着的东西。这种连接触发包膜结构打开，从而暴露出一个共同受体结合位点，“这才是真正重要的事件。”

一旦病毒的两个分子都与细胞膜结合，注射病毒RNA的过程就可以开始了。“如果它进入细胞，你的感染现在是永久性的，”Henderson说。“如果你被感染了，你就已经输了，因为这是一种逆转录病毒。”

研究小组发现的移动结构保护了病毒上敏感的共受体结合位点。”在两个不同的Env变体中，我们发现了一个与已知Env结构重排相关的转变，其时间常数在数百微秒范围内，”作者写道。Henderson补充说:“这也是一个门闩，可以防止它弹起，直到它准备好弹起。”可行的做法是，将其与一种特定的抗体固定在一起，可以阻止感染过程。

为了观察病毒在开放、封闭和介于两者之间的不同状态，Bennett和Henderson在芝加哥郊外的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)使用了一台电子加速器，该加速器产生的x射线波长可以分解小到单个原子的物体。该团队获得了三个120小时的同步加速器时间，试图在马拉松比赛中获得尽可能多的数据。

其他地方的早期研究认为，抗体是针对病毒的错误形状设计的，而这项工作表明，这可能是正确的。“问题是，为什么当我们进行免疫接种时，我们会把抗体送到应该被阻断的地方?”’”Henderson说。部分答案应该在于这种特殊的结构及其形状的变化。“抗体结合和这种形状之间的相互作用对我们所做的工作至关重要，”Henderson说。“这促使我们从第一个实验回来的那天就设计了一种免疫原。我们认为我们知道这是怎么回事。”

作者进一步总结道:“总之，这些结果表明，仅在微秒尺度上可观察到的瞬态中间状态在控制HIV-1 Env构象中起着至关重要的作用。阻止这些早期转变可能是疫苗开发工作中的一个重要考虑因素，以确保成熟抗体保持在发展中和广度的轨道上。”