HIV-1 包膜糖蛋白三聚体结构研究：解锁病毒入侵关键机制

研究人员解析 HIV-1 包膜糖蛋白三聚体结构，揭示 MPER 作用及 Env 构象调控机制，助力抗 HIV 研究。

　　

研究背景：HIV 研究中的关键谜题

人类免疫缺陷病毒（HIV-1）如同一个隐藏在黑暗中的杀手，悄无声息地破坏着人体的免疫系统，引发获得性免疫缺陷综合征（AIDS）。在这场旷日持久的对抗中，科学家们一直致力于揭开 HIV-1 入侵宿主细胞的神秘面纱。

HIV-1 的包膜糖蛋白三聚体（Env）是其入侵宿主细胞的关键 “武器”。在感染过程中，Env 就像一把 “钥匙”，精准地识别并结合宿主细胞表面的受体 CD4 以及辅助受体 CCR5 或 CXCR4，从而打开入侵的大门。然而，这把 “钥匙” 的结构和工作机制却十分复杂。

在 HIV-1 研究领域，存在着诸多亟待解决的问题。例如，成熟的 Env 主要以预触发状态（PTC）存在，但 PTC 的稳定性却影响着病毒的感染能力和免疫逃逸机制。同时，能有效中和 HIV-1 的广泛中和抗体（bNAbs）难以诱导产生，而容易诱导产生的低效中和抗体（pNAbs）又无法有效识别功能性 Env 三聚体。此外，目前对于预触发状态下完整膜 Env 的详细结构缺乏了解，这也阻碍了相关研究的进展。

为了深入了解 HIV-1 的入侵机制，探索潜在的治疗靶点和疫苗开发方向，北京大学等研究机构的研究人员开展了一系列研究。

研究方法：探索结构奥秘的 “金钥匙”

研究人员采用了多种关键技术来解析 HIV-1 Env 三聚体的结构。其中，单颗粒冷冻电镜（cryo-EM）技术发挥了至关重要的作用。通过该技术，研究人员能够在接近天然状态下观察 Env 三聚体的结构，获取其高分辨率的三维图像。此外，研究人员还对 HIV-1 Env 进行了改造，构建了含有稳定 PTC 突变的 Tri FPPR Env，并将其与状态 1 稳定的进入抑制剂 BMS-806 结合，利用两性聚合物 A18 - 脂质纳米圆盘进行溶解，以便更好地进行结构分析。

研究结果：结构背后的病毒秘密

1. Tri FPPR Env 的纯化与表征：研究人员在 A549 人肺上皮细胞中表达了全长 Tri FPPR Env，并通过一系列纯化步骤获得了高纯度的裂解态 Tri FPPR Env。经过检测，发现约 96% 的纯化 Tri FPPR Env 被裂解，且该蛋白能够被 bNAbs 识别，而不被 pNAbs 识别，这表明其具有与天然 Env 相似的抗原性。
2. 两种不对称 Tri FPPR Env 结构的确定：利用单颗粒 cryo-EM 技术，研究人员分析了 Tri FPPR Env 在 A18 - 脂质纳米圆盘中的结构，得到了两种具有可识别 MPER 密度的三维图谱，分别命名为 Tri FPPR.1 和 Tri FPPR.2，分辨率分别为 3.4 ? 和 3.5 ?。这两种 Env 三聚体结构均缺乏 C3 对称性，呈现出一个小开口角和两个大开口角的不对称结构。
3. Tri FPPR Env 的结构特征：比较 Tri FPPR.1 和 Tri FPPR.2 Env 的原聚体结构发现，gp120 亚基折叠相似，但 gp41 的融合肽、融合肽近端区域（FPPR）、N 端七肽重复序列（HR1_N）和 α9 螺旋存在构象差异。此外，不同原聚体的 gp41 MPER 密度差异显著，部分 MPER 可被建模，且其结构具有相似性，都形成了螺旋 - 铰链 - 螺旋结构。
4. Env 裂解与膜近端碱基的关联：研究发现，Env 裂解能够使 gp120 C 末端与膜近端碱基结合，从而稳定 PTC。通过比较未裂解和裂解 Env 的结构，发现裂解 Env 中 gp120 C 末端与 gp41 N 末端的距离增加，且 gp120 C 末端的构象更加有序，这表明 Env 裂解有助于形成稳定的膜近端碱基。
5. 结构相关性分析：对不同 Env 结构的比较分析揭示了一些结构参数之间的关系。例如，Env 在纳米圆盘中的倾斜方向与原聚体不对称性有关；MPER 的有序性与原聚体不对称性相关，MPER 密度越高的原聚体，其实现不对称所需的位移越小；α9 螺旋的倾斜角度与 MPER 的连接强度呈负相关等。
6. MPER 结构模型的比较：将 Tri FPPR Env 的 MPER 结构与其他已有的 MPER 结构模型进行比较，发现它们存在显著差异，这表明 MPER 的构象高度依赖于其所处的环境。
7. gp120 V1/V2 区域的聚糖异质性：研究人员还发现 Tri FPPR Env 在 gp120 V1/V2 区域存在聚糖异质性，这种异质性可能会影响 V2 四元 bNAbs 的产生或效力，从而有助于 HIV-1 的免疫逃逸。

研究结论与讨论：开启抗 HIV 研究新征程

这项研究成功解析了两种裂解态 HIV-1 Env 三聚体在 A18 - 脂质纳米圆盘中的冷冻电镜结构，为理解 HIV-1 的入侵机制提供了重要依据。研究结果表明，MPER 与 gp120 C 末端和 gp41 α9 螺旋相互作用，形成了膜近端碱基，这一结构对于维持 Env 的预触发状态至关重要。同时，研究还揭示了 Env 的不对称性、MPER 的结构特征以及聚糖异质性等，这些发现有助于解释 HIV-1 的免疫逃逸机制。

此外，Tri FPPR Env 结构可能代表了膜 Env 的默认中间状态（State-2），这为进一步研究 HIV-1 的感染过程提供了新的视角。未来，基于这些研究成果，有望开发出更有效的抗 HIV 药物和疫苗，为全球抗击艾滋病的斗争带来新的希望。

论文发表在《Communications Biology》上，这一成果得到了广泛的关注和认可，为该领域的研究开辟了新的道路。它不仅加深了我们对 HIV-1 的理解，也为后续的研究提供了重要的参考和方向。相信在未来，随着研究的不断深入，我们将能够更好地应对 HIV-1 带来的挑战，为人类健康事业做出更大的贡献。