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Biophys. J.:HIV穿越细胞膜的机制

来源:生物谷 2007-07-27 13:59

    生物谷综合:为何HIV能够轻而易举地进入免疫细胞?卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)研究人员最近获得了一项重大发现:当HIV停靠在宿主细胞上后,降低了与细胞膜结合所需的能量,对免疫细胞的感染变得更加容易。这项发现,为计算机模拟HIV动力学,为新药研发和预防致死性感染提供了重要参考。详细内容刊登于“Biophysical Journal”杂志。

    卡耐基梅隆大学生物物理学副教授Stephanie Tristram-Nagle说,我们发现HIV融合肽明显降低了HIV与类细胞膜(cell-like membrane)结合所需的能量。这有助于膜变弯曲——HIV与免疫细胞的细胞膜融合过程的必需步骤。

    卡耐基梅隆大学研究人员利用X-ray研究HIV融合肽(某个蛋白的一部分)对人造脂质双分子层(模拟普通细胞膜)的能量的影响。脂质双分子层为细胞抵御外源物质提供了一道保护性屏障,当然也含有识别其它细胞、与其它细胞进行交流所需的分子。细胞间会通过小的、含有蛋白的囊泡或者其它分子载体进行沟通。递送“货物”时,来自于一个细胞的囊膜与另一个细胞的外膜融合,形成一种名为融合中间体(fusion intermediates)的混合结构。

    进化过程中,病毒也获得了与细胞融合卸载其遗传物质的技巧,将宿主细胞变成病毒的“生产车间”。HIV首先利用gp120分子将自身锁定在宿主免疫T细胞上,接着在gp41的辅助下渗入T细胞膜。融合过程离不开gp41中一个名为融合肽23(FP-23)的小片段。先前的研究结果显示,FP-23能够与血细胞和其它人造类细胞结构——脂质体(liposomes)融合,甚至能够破坏这些结构。

    研究人员说,FP-23在病毒融合过程中有多种重要作用。一个已知的作用是,FP-23附着在T细胞上,辅助gp41变形,进而通过T细胞提高HIV的 RNA和蛋白的量。卡耐基梅隆研究小组发现,P-23还有一种重要功能——降低融合中间体的自由能。这种短暂的形状随着HIV进入T细胞而产生、消失。

    通常情况下,细胞膜是抗弯曲的。研究人员能够测定克服这种抗性所需的能量。卡耐基梅隆小组发现,FP-23增长到之前的13倍(依细胞膜厚度而定)减少了其渗过人造细胞膜所需的能量。

    Tristram-Nagle认为穿膜所需能量减少,可能是HIV轻易感染细胞的部分原因,新发现将会改变了病毒-细胞相互作用的理论。这种现象提供了一种病毒感染细胞的普通途径,因此实验所用方法有望用于观察其它病毒系统。许多病毒可以通过有效降低透过细胞外膜的能量而进入细胞。

   卡耐基梅隆研究人员利用X-ray检测FP-23对脂质双分子层的效果。脂质双分子层的状态随着温度的改变而改变,但液相与细胞膜生理学状态最为相近。利用X-ray漫散射,研究小组对携带FP-23肽的不同脂质双分子层的结构特征进行定量分析。脂质双分子层的厚度也各不相同,影响了细胞膜的硬度。

    研究是在卡耐基梅隆的CHESS synchrotron操作的。CHESS synchrotron提供了适合多项研究的X-ray高密度源。Tristram-Nagle等下一步打算研究FP-23和胆固醇(一种已知的调节细胞膜硬度的分子)。

原始出处:

Biophys. J. BioFAST: First Published May 25, 2007. doi:10.1529/biophysj.107.109181

HIV-1 Fusion Peptide Decreases Bending Energy, Promotes Curved Fusion Intermediates

Stephanie Tristram-Nagle 1* and John F. Nagle 1

1 Carnegie Mellon University

* To whom correspondence should be addressed. E-mail: stn@cmu.edu .

Submitted on March 19, 2007
Revised on April 6, 2007
Accepted on 18 May 2007

A crucial step in HIV infection is fusion between the viral envelope and the T-cell membrane, which must involve intermediate membrane states with high curvature. Our main result from diffuse x-ray scattering is that the bending modulus KC is greatly reduced upon addition of the HIV fusion peptide FP-23 to lipid bilayers. A smaller bending modulus reduces the free energy barriers required to achieve and pass through the highly curved intermediate states and thereby facilitates fusion and HIV infection. The reduction in KC is by a factor of 13 for the thicker, stiffer diC22:1PC bilayers, and by a factor of 3 for DOPC bilayers. The reduction in KC decays exponentially with concentration of FP-23 and the 1/e concentration is less than 1 mole % peptide to lipid, which is well within the physiological range for a fusion site. A secondary result is, when FP-23 is added to the samples which consist of stacks of membranes, that the distance between membranes increases and eventually becomes infinite at full hydration (unbinding); we attribute this both to electrostatic repulsion of the positively charged arginine in the FP-23 and to an increase in the repulsive fluctuation interaction brought about by the smaller KC. While this latter interaction works against membrane fusion, our results show that the energy that it requires of the fusion protein machinery to bring the HIV envelope membrane and the target T-cell membrane into close contact is negligible.

Key Words: Bending Modulus, Biomembrane Fusion, Compression Modulus, Fusion Peptide, HIV-1 Virus, Lipid Membranes

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