用先进技术揭示HIV动态结构

2020-08-05 来源:生物谷   关键字:防艾 艾滋

用先进技术揭示HIV动态结构
图片来源:Dave Meikle/Saffarian Lab

  原标题:科学家有望利用先进的技术揭示HIV的动态结构

  生物谷BIOON 2020年7月29日讯:病毒非常可怕,其就像看不见的军队一样入侵宿主细胞,而且每种病毒都有着自己的攻击策略,当病毒开始摧毁人类和动物群落时,科学家们就会想到各种方法来反击,很多科学家们会利用电镜来观察病毒中的单个分子是如何活动的,然而最为复杂的技术需要将样本冷冻和固定从而获得最高的分辨率。

  近日,根据国际杂志《Biophysical Journal》刊登的研究报告“Dynamics of the HIV Gag Lattice Detected by Localization Correlation Analysis and Time-Lapse iPALM”,犹他大学等机构的科学家们通过研究开发了一种新方法,能在室温下对病毒样颗粒进行实时高分辨率成像。研究者表示,这种方法揭示了形成HIV主要结构组分的晶格(lattice)处于动态变化中,由Gag和GagPol蛋白形成的扩散晶格(长期以来一直被认为是完全处于静态的)或能帮助研究人员开发新型HIV疗法。

  当HIV颗粒从受感染的细胞中萌芽时,在病毒具有感染性之前其会经历一段滞后过程,以一半分子形式嵌入到GagPol蛋白中的酶类—蛋白酶就会在二聚化的过程中与其它分子相结合,从而就会触发病毒的成熟过程,目前并没有人清除这些一半蛋白酶分子是如何找到彼此并进行而聚化过程的,但其或许与位于病毒包膜内的Gag和GagPol蛋白形成的晶格的重新排列有关,Gag是一种主要的结构蛋白,其足以组装病毒样颗粒,Gag分子能形成一种晶格六边形结构,并与自身交织在一起,且其中间会夹杂着微小的间隙,而研究者所开发的新方法表明,Gag蛋白晶格或许并非一成不变。

  研究者Ipsita Saha表示,这种新方法能通过利用传统上只提供静态信息的显微镜进行研究,但除了新的现为境外,研究者还是用了数学模型和生化实验来证实晶格的动态学变化过程,除了病毒外,这种新方法的一个主要应用就是能让我们看到分子在细胞中是如何移动的,这样就能帮助研究者研究任何生物医学结构。起初,科学家们并不是在寻找动态结构,他们只是想研究Gag蛋白的晶格,而研究人员试图利用新型的显微镜技术来在室温下研究病毒颗粒,从而实时观察病毒的行为,由于HIV的尺寸非常小,大约仅有120纳米直径,因此研究人员利用了干涉光激活定位显微镜(iPALM)进行了相关研究。

  首先,研究者Saha利用名为Dendra2的荧光蛋白来标记Gag,并将所得到的Gag-Dendra2蛋白制作成病毒样颗粒,这些病毒样的颗粒与HIV颗粒相同,但其仅由Gag-Dendra2蛋白晶格结构制成,研究者表示,所产生的Gag-Dendra2蛋白组装病毒样颗粒的方式与病毒样颗粒组成常规Gag蛋白的方式相同,荧光附着技术能让iPALM以10纳米的分辨力对颗粒进行成像,研究者发现,每个固定化的病毒样颗粒都能融入到1400-2400 Gag-Dendra2蛋白中并排列成一个六边形的晶格,当研究者利用iPALM数据来重建晶格的延时图像时,Gag-Dendra2的晶格似乎并不会随着时间的推移而静止,为了确定这一结果,研究人员利用了数学和生化两种方法进行验证。

  首先,他们将蛋白晶格划分为统一的独立片段,利用关联分析,研究者检测了每个片段如何随着时间的推移而与自身相关联,如果每个片段能持续与自身相关联,则蛋白质处于静止状态,如果其失去了相关性,则说明蛋白质已经发生了扩散,研究者发现,随着时间的推移,蛋白质处于动态变化之中。其次,研究者使用生化方法验证了动态晶格,在实验中,他们开发出了病毒样的颗粒,其晶格由80%的Gag野生蛋白、10%的SNAP标记的Gag蛋白以及10%Halo标记的Gag蛋白组成,SNAP和Halo是能结合在一起形成连接体的蛋白质,研究者的想法是确定是否蛋白晶格中的分子能保持静止不变或其是否会迁移位置。

  研究者Saha说道,Gag-蛋白质会随机地自我组装,SNAP和Halo可能会处于晶格中的任何地方,有些可能会彼此靠近,有些则会远离,如果晶格结构发生变化的话,分子就可能会相互靠近;随后研究人员将一种名为Haxs8的分子引入到了病毒样颗粒中,Haxs8是一种二聚体,当SNAP和Halo蛋白在彼此的结合半径内时,它们会共价结合,如果其二者彼此相邻移动时就会产生二聚体复合物,随后研究者开始追踪随着时间变化这些二聚体复合物的浓度是否会发生变化,如果浓度发生变化,就说明新的分子发现了对方,如果浓度降低了则表明蛋白质破裂了,无论哪种情况,都表明运动已经发生了,研究者发现,随着时间延续,二聚体的百分比会增加,而Halo和SNAP Gag蛋白会在整个晶格中移动,并随着时间的推移会走到一起。

  这项研究中,研究人员通过研究首次揭示了,包膜病毒的蛋白晶格结构是处于动态变化的,文章中研究人员开发的新工具或能更好地理解随着病毒颗粒从不成熟过渡到危险感染阶段时晶格内部所发生的变化;本文研究结果或许能帮助研究人员阐明HIV诱发感染的分子机制,如果研究者能弄清楚这一过程,或许就能开发出相应的措施或药物来阻断HIV的进展。

  参考资料:

  [1] Pioneering method reveals dynamic structure in HIV

  [2] Ipsita Saha, Saveez Saffarian. Dynamics of the HIV Gag Lattice Detected by Localization Correlation Analysis and Time-Lapse iPALM. Biophysical Journal (2020). DOI: 10.1016/j.bpj.2020.06.023

  (来源:生物谷)

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