Nature：首次捕捉到HIV包膜蛋白過渡狀態的結構圖

2017年7月15日/

BIOON/---在全世界，人免疫缺陷病毒（HV）當前感染著大約3700萬人。HIV具有一種關鍵的被稱作包膜蛋白（Env）三聚體的蛋白複合物。開發一種能夠阻斷而不僅是控制HIV感染的疫苗在很大程度上受到Env的複雜結構的阻礙。

在一項新的研究中，來自美國斯克里普斯研究所（TSRI）、沙克生物研究所和康奈爾大學威爾醫學院的研究人員首次解析出Env蛋白複合物的原子水平的特寫結構圖。這種結構圖揭示出Env三聚體的不同部分之間發生的複雜構象變化。這些構象變化僅在這種病毒在正常情形下與一個免疫細胞的質膜融合之前發生。這些發現可能為設計HIV疫苗提供潛在的新靶標。相關研究於2017年7月12日在線發表在

期刊上，論文標題為「Open and closed structures reveal allostery and pliability in the HIV-1 envelope spike」。

論文通信作者、TSRI副教授Andrew Ward說，「人們可能將這視為之前已知的HIV融合前狀態和融合后狀態之間的『缺失的一環』。」

這種結構圖也讓科學家們迄今為止最為清晰地觀察到Env的可塑性，這種可塑性在附著到人細胞表面上之前持續地在不同的構象之間進行轉換。

論文共同第一作者、TSRI高級研究員Gabriel Ozorowski說，「幾項其他的研究已發現Env三聚體發生構象變化的證據。在這裡，我們能夠捕獲到Env的兩種不同構象狀態的高解析度結構圖。」

Ward說，「通過理解這種融合中間狀態的分子細節，我們能夠推斷這種三聚體如何在不同狀態之間轉換，並且設計阻斷這些轉換的突變或分子。」

HIV的Env蛋白複合物由三個相同的蘑菇形狀的結構組成，每個結構含有一個莖狀的亞基（gp41）和一個被稱作gp120的帽狀區域。這些結構彼此之間僅是鬆散地連接在一起，從而能夠讓這種三聚體改變形狀，並且使得它很難研究，也很難利用藥物靶向它。此外，這種三聚體也頻繁地讓它的最外面的「可變環（variable loop）」區域發生突變從而躲避免疫攻擊，而且它的表面被複雜的糖分子（被稱作聚糖）包被著，從而掩蓋住潛在的藥物結合位點。

但是通過捕捉到Env在一種讓這種三聚體表面上之前未知的區域暴露出來的構象下的結構圖，這種結構給藥物開發者展現出了有趣的新前景。

Ward說，「如果我們能夠利用小分子靶向這種結構中新發現的口袋，那麼就有潛力製造出新的融合抑製劑藥物。」

這些研究人員解析出的Env結構圖實際上是將利用冷凍電鏡（Cryo-EM）拍攝的幾千張圖片進行數字化拼湊在一起形成的複合圖象。

若要HIV感染髮生，Env首先必須結合T細胞外表面上的兩個蛋白：先是結合被稱作CD4的膜受體，隨後結合一個被稱作CXCR4或CCR5的輔助受體。在這項新的研究中，這些研究人員構建出一種蛋白，該蛋白包括一種結合到CD4和17b上的修飾性Env（經過基因改造提高其穩定性）。作為一種人抗體，17b類似於CXCR4/CCR5，被用作這些輔助受體的替代物。這種三聚體複合物隨後被嵌入到薄薄的一層冰中，並且被放置在冷凍電鏡中進行成像。

論文共同第一作者、TSRI高級研究員Jesper Pallesen說，「電子束被這些蛋白原子散射，從而獲得詳細的二維圖片。我們拍攝了大約2000張圖片，每張圖片含有上千個在隨機定向下凍存的Env複合物。我們通過計算讓它們對齊，從而構建出高解析度的三維結構圖。」

Env的這種新的處於它的「融合中間」狀態的結構圖揭示出一旦結合CD4，gp120的V1和V2可變環翻轉遠離這種三聚體的中心，從而暴露出這種輔助受體結合位點。CD4結合也觸發gp41莖狀結構的一部分自我重排而在這種三聚體的內部產生一種小的口袋空間。當為了準備膜融合，這種口袋從這種三聚體的底部移向內部時，它起著穩定gp41中的融合肽（即一種讓自我附著到宿主細胞上的氨基酸序列）的作用。

由於HIV的這種融合肽在感染中發揮著至關重要的作用，它特別抵抗突變，因而是一種廣受歡迎的藥物靶標。Pallesen說，「如果能夠靶向這段特定的氨基酸序列，那麼這種病毒就會無處可逃。」

然而，經證實攻擊這個靶標實際上是較困難的，這是因為這種融合肽很少保持靜止不動。Ozorowski說，「在CD4結合之前，這種融合肽在這種三聚體的外面漂浮和搖蕩。我們首次在我們的結構中觀察到當Env結合CD4時，為準備結合到宿主細胞膜上，這種融合肽向這種三聚體的內部更近地移動，並且獲得一種更加穩定的狀態。」

這些研究人員也開展了第二個抗體替代物實驗，從而獲得迄今為止最為清晰的能夠改變形狀的Env的結構圖。Ward說，「鑒於Env是一種亞穩態的融合機器，人們長期以來就已了解到它必須是一種具有可塑性的結構。」

利用一種具有類似形狀的抗體b12替換CD4，這些研究人員能夠證實除了一種「封閉」狀態（CD4結合位點受到隱藏）和一種開放狀態（準備CD4結合）之外，Env也扭曲成一種部分開放的容納得下b12但容納不下CD4的構象。

Ozorowski說，「若要感染髮生，這種三聚體必須從一種封閉狀態轉換到一種開放狀態，從而使得這種融合肽接近於宿主細胞。對多種狀態進行取樣分析可能使得Env更容易在不同狀態之間進行切換。我們證實儘管存在這些不同的構象，每種構象仍然表現出一定程度的穩定性。」

這種穩定的亞狀態（meta-state）是藥物開發者能夠利用的另一種途徑。Pallesen說，「我們如今能夠探究這種新的構象來發現Env表面上的新的可利用藥物加以靶向的口袋。因此，它為抵抗HIV感染打開另一個武器庫。」（生物谷 Bioon.com）

Gabriel Ozorowski, Jesper Pallesen, Natalia de Val et al.

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, Published online 12 July 2017, doi:10.1038/nature23010