《Nature》HIV-1 新发现：SP2 肽触发 MA 晶格成熟的关键机制

为探究 HIV-1 中 MA 晶格成熟机制，研究人员开展相关研究，发现 SP2 肽是 MA 成熟的触发因子，对理解病毒感染机制意义重大。

　　

在病毒的微观世界里，HIV-1（人类免疫缺陷病毒 1 型）如同一个隐藏在暗处的 “杀手”，持续威胁着人类健康。HIV-1 的感染过程十分复杂，其中病毒的成熟机制一直是科研人员关注的焦点。HIV-1 在感染细胞后，会释放出不成熟、无感染性的病毒颗粒。这些颗粒要经历一系列的结构变化，才能转变为具有感染性的成熟病毒。在这个过程中，主要结构多聚蛋白 Gag（Group-specific antigen）的蛋白水解切割起着关键作用，它会被切割成多个功能域，进而诱导病毒颗粒重排形成成熟、有感染性的病毒体。其中，MA（matrix）结构域负责在病毒组装过程中将 Gag 招募到宿主细胞膜上，在病毒生命周期中扮演着重要角色。此前研究发现，MA 在不成熟病毒颗粒中会形成六聚体蛋白晶格，在成熟过程中，这个晶格会发生结构转变。然而，MA 晶格成熟的具体机制却一直是个未解之谜，这也阻碍了人们对 HIV-1 感染机制的深入理解，影响了相关治疗策略的开发。

为了揭开这一谜团，相关研究人员开展了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature》杂志上。这项研究具有重要意义，不仅揭示了 HIV-1 两个组分之间一种全新的、出乎意料的相互作用，还提供了成熟 MA 的高分辨率结构，确定了 MA 结构成熟的触发因素，并明确了 SP2 肽的功能，为深入理解 HIV-1 的感染机制和开发新的治疗方法提供了关键线索。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。其中，冷冻电镜（cryo-EM）技术发挥了核心作用，通过该技术，研究人员能够获得病毒颗粒中 MA 晶格的高分辨率结构，直观地观察 MA 晶格在不同状态下的细微结构变化。此外，研究人员还构建了多种 Gag 切割位点突变体，利用这些突变体来研究不同切割状态对 MA 晶格成熟的影响，从而确定 MA 晶格成熟所涉及的具体加工步骤。

下面详细介绍研究结果：

1. 高分辨率病毒内 MA 结构：研究人员应用原位单颗粒分析技术，成功获得了完整病毒内不成熟和成熟 MA 晶格的高分辨率结构。通过对大量数据集的处理和分析，他们克服了其他病毒成分的干扰密度，分别得到了不成熟（PR?）病毒颗粒、成熟病毒颗粒以及 MA-SP1 病毒颗粒中 MA 晶格的重建结构，分辨率分别达到 5.8 ?、3.8 ? 和 3.1 ?。在成熟 MA 晶格中，研究人员发现了一些关键的结构特征，如特定的环参与了三聚体间的相互作用，形成了稳定的界面。同时，他们还发现之前认为与 MA 结合的脂质实际上并不是 MA 成熟的配体，这为后续研究指明了新方向。

2. Gag 加工对 MA 的影响：研究人员通过制备多种 Gag 切割位点突变体，包括 MA-SP2、MA-NC、MA-SP1:NC-p6 和 NC-p6 等，并利用冷冻电镜对这些突变体的 CA 和 MA 晶格进行表征。通过分析 2D 类平均图像中 MA 层的重复间距，研究人员发现，MA-SP1:NC-p6 和 NC-p6 保留了不成熟的 MA 晶格，而 MA-NC 具有成熟的 MA 晶格结构，MA-SP2 则具有不成熟的 MA 晶格。这些结果表明，NC-SP2-p6 部分的切割，而不是该部分与 MA-SP1 的分离，是 MA 晶格成熟所必需的，并且 SP2 肽的释放与 MA 成熟相关。

3. SP2 释放与快速融合相关：由于高效的 HIV-1 融合依赖于 Gag 成熟，研究人员利用相同的 Gag 切割突变体来测量 MA 成熟对病毒融合的影响。他们使用了一种基于分裂纳米荧光素酶互补的检测方法，结果发现，未成熟颗粒的膜融合速度比野生型成熟颗粒慢两倍，而当 SP2 从 Gag 中释放时，膜融合速度加快两倍，达到野生型颗粒的水平。这表明 SP2 的释放和 MA 的成熟与野生型样的融合动力学相关。

4. 游离 SP2 与病毒内 MA 结合：为了探究远处的 SP2 肽释放如何影响与细胞膜结合的 MA 的成熟，研究人员推测 SP2 与 MA 的直接结合可能是 MA 成熟的触发因素。通过一系列实验，他们发现 SP2 的六个 C 末端残基可以自信地拟合到成熟 MA 晶格的冷冻电镜密度中，并且在没有任何输入序列的情况下，自动模型构建也能得到与最终模型匹配的 SP2 肽序列。此外，他们还发现结合的 SP2 通过多种相互作用固定在 MA 上，并似乎有助于成熟 MA 晶格中三聚体间相互作用的形成。

5. MA 成熟的体外重建：为了验证 SP2 是否足以诱导成熟 MA 晶格的形成，研究人员使用体外重组系统进行研究。他们将纯化的重组肉豆蔻酰化 MA 蛋白在有无 SP2 的情况下添加到模拟 HIV-1 膜内层的脂质单层上，通过冷冻电镜观察发现，在没有 SP2 时，只有少量亚图像显示出成熟样的 MA 晶格；而在有 SP2 存在时，大量亚图像显示出成熟样的 MA 晶格，且在成熟样 MA 晶格中存在与 SP2 对应的额外密度。这表明 SP2 可以通过结合到 MA 的特定裂隙中，在没有任何其他成分的情况下诱导形成成熟的、膜结合的 MA 晶格。

在讨论部分，研究人员指出，SP2 肽在从 Gag 蛋白水解释放后，作为 MA 晶格成熟的触发因子，并成为成熟 MA 晶格三聚体间接触的重要组成部分。SP2 序列的高度保守以及其在病毒成熟过程中的关键作用，表明 SP2 切割和 MA 成熟为病毒带来了复制优势。此外，MA 成熟与病毒获得完全融合能力相关，虽然 HIV-1 突变体 NC-SP2 在标准细胞培养试验中没有明显的感染缺陷，但 MA 处于未成熟状态时较慢的融合动力学可能在原代细胞中受到限制，这为病毒的快速融合提供了进化优势。同时，研究还发现 MA 结合 SP2 的口袋具有多功能性，其配体的交换可能决定了 MA 在病毒复制周期中的功能变化。并且，SP2 介导的 MA 成熟与 SP1 调节 CA 晶格成熟存在相似之处，两者都是通过 Gag 多聚蛋白的蛋白水解切割，在不成熟病毒颗粒向成熟、有感染性的病毒体转化过程中发挥核心作用。

总的来说，这项研究成果揭示了 HIV-1 中 MA 晶格成熟的关键机制，为深入理解 HIV-1 的感染机制提供了重要依据。未来，基于这些发现，有望开发出针对 HIV-1 感染的新型治疗策略，为抗击艾滋病带来新的希望。但目前的研究仍存在一些局限性，如在复杂系统中更接近体内感染条件下的研究还需要进一步开展，以全面了解 MA 成熟对 HIV-1 传播和发病机制的功能相关性。