Cell子刊：利用开创性的iPALM技术揭示HIV病毒的Gag蛋白晶格发生动态变化
来源：本站原创 2020-07-26 09:53
2020年7月26日讯/生物谷BIOON/---病毒是可怕的。它们像隐形的军队一样侵入我们的细胞，而且每一种病毒都有自己的攻击策略。当病毒摧毁人类和动物群体时，科学家们争相反击。许多人利用电子显微镜，这种工具可以“看到”病毒中的单个分子在做什么。然而，即使是最复杂的技术，也需要将样本冷冻和固定，以获得最高的分辨率。如今，在一项新的研究中，来自美国犹他大学的研
2020年7月26日讯/生物谷BIOON/---病毒是可怕的。它们像隐形的军队一样侵入我们的细胞，而且每一种病毒都有自己的攻击策略。当病毒摧毁人类和动物群体时，科学家们争相反击。许多人使用电子显微镜，这种工具可以“看到”病毒中的单个分子在做什么。然而，即使是最复杂的技术，也需要将样本冷冻和固定，以获得最高的分辨率。
如今，在一项新的研究中，来自美国犹他大学的研究人员开创了一种在室温下对病毒样颗粒进行实时成像的方法，其分辨率令人印象深刻。这种方法揭示了构成人类免疫缺陷病毒（HIV）主要结构成分的蛋白晶格是动态变化的。由Gag和GagPol蛋白组成的扩散晶格（diffusing lattice），长期以来被认为是完全静态的，因此这一新的发现有助开发潜在的新疗法。相关研究结果近期发表在Biophysical Journal期刊上，论文标题为“Dynamics of the HIV Gag Lattice Detected by Localization Correlation Analysis and Time-Lapse iPALM”。
当HIV病毒颗粒从受感染的细胞中出芽时，这种病毒在成为感染性病毒之前会经历一段滞后时间。作为一种以半分子形式嵌入GagPol蛋白中的酶，蛋白酶必须在称为二聚化的过程中与其他类似分子结合。这就触发了病毒成熟，从而导致感染性颗粒产生。没有人知道这些半蛋白酶分子是如何找到彼此并进行二聚化的，不过这可能与Gag和GagPol蛋白形成的晶格重新排列有关，毕竟Gag和GagPol蛋白就在病毒包膜的内部。Gag是一种主要的结构蛋白，已被证明足以组装病毒样颗粒。Gag分子形成了一种六边形晶格结构，这种晶格结构与自身交织在一起，并在中间夹杂着微小的空隙。这种新方法表明，Gag蛋白晶格并非一成不变。
论文第一作者、犹他大学物理与天文学系研究生科研助理ipsita Saha说，“相比于使用传统上只能提供静态信息的显微镜，这种方法领先了一步。除了新的显微镜方法外，我们还使用了数学模型和生化实验来验证这些晶格动态变化。除了病毒之外，这种方法的一个主要意义在于你能够观察分子如何在细胞中移动。你可以利用它研究任何生物医学结构。”
绘制纳米机器结构
这些研究人员一开始并不是为了寻找动态结构---他们只是想研究Gag蛋白晶格。在为期两年的研究工作中，Saha“破解了”显微镜技术，以便能够在室温下研究病毒颗粒并观察它们在现实生活中的行为。HIV病毒的尺寸比较小--直径约120纳米，因此Saha使用了干涉光激活定位显微镜（interferometric photoactivated localization microscopy, iPALM）。
Saha先是用一种名为Dendra2的荧光蛋白标记了Gag，并将产生的Gag-Dendra2蛋白构建出病毒样颗粒。这些病毒样颗粒与HIV颗粒相同，但仅由Gag-Dendra2蛋白晶格结构制成。Saha发现所产生的Gag-Dendra2蛋白组装成病毒样颗粒的方式与由普通Gag蛋白组装成病毒样颗粒的方式相同。这种荧光标记使得iPALM能够以10纳米的分辨率对病毒样颗粒进行成像。这些研究人员发现，每个固定化的病毒样颗粒都整合了1400～2400个Gag-Dendra2蛋白，这些蛋白排列成一个六边形的晶格。当他们使用iPALM数据重建这种晶格的延时图像时，Gag-Dendra2晶格似乎并不随着时间的推移而保持静止。为了确保这一点，他们用两种方式独立验证：数学和生化。
首先，他们将这种蛋白晶格分割成均匀的独立片段。通过相关性分析，他们测试了每个片段在10到100秒的时间内如何与自身关联。如果每个片段继续与自身相关，那么蛋白就是静止的。如果它们失去了相关性，那么这就说明蛋白已经扩散了。他们发现，随着时间的推移，蛋白是非常动态的。
他们验证这种动态晶格的第二种方法是生化方法。在这个实验中，他们构建出了病毒样颗粒，它的晶格由80%的Gag野生型蛋白、10%的由SNAP标记的Gag和10%的由Halo标记的Gag组成。蛋白SNAP和Halo可以结合将它们永远结合在一起的接头序列（linker）。这个想法是为了确定这种蛋白晶格中的分子是否保持静止，或者它们的位置是否发生了迁移。
Saha说，“Gag蛋白会随机地自我组装。SNAP和Halo分子可能出现在这种蛋白晶格内的任何地方---有些可能彼此靠近，有些会离得很远。如果这种蛋白晶格发生变化，那么这些分子就有可能相互靠近。”
Saha将一种名为Haxs8的分子引入到这些病毒样颗粒中。当SNAP和Halo蛋白在彼此的结合半径内时，Haxs8就会将它们共价结合在一起。如果SNAP或Halo分子靠近彼此移动，它们会产生二聚化复合物。她跟踪这些二聚化复合物的浓度随时间的变化。如果浓度发生变化，这就说明有新的分子对找到了彼此。如果浓度降低，这就表明这些蛋白分裂了。无论哪种情况，都表明运动已经发生了。他们发现，随着时间的推移，这些二聚化复合物的百分比增加了；HALO和SNAP Gag蛋白在整个晶格中移动，并随着时间的推移聚集在一起。
一种研究病毒的新工具
这是第一个表明包膜病毒的蛋白晶格结构是动态的研究。这种新工具对于更好地理解新病毒颗粒从不成熟到具有危险传染性时蛋白晶格内发生的变化将非常重要。
Saha说，“导致感染的分子机制是什么？它开辟了一条新的研究路线。如果你能弄清楚这个过程，也许你可以做一些事情来防止它们找到彼此，比如一种可以阻止病毒传播的药物。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Ipsita Saha et al. 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.
2.Pioneering method reveals dynamic structure in HIV
https://phys.org/news/2020-07-method-reveals-dynamic-hiv.html
如今，在一项新的研究中，来自美国犹他大学的研究人员开创了一种在室温下对病毒样颗粒进行实时成像的方法，其分辨率令人印象深刻。这种方法揭示了构成人类免疫缺陷病毒（HIV）主要结构成分的蛋白晶格是动态变化的。由Gag和GagPol蛋白组成的扩散晶格（diffusing lattice），长期以来被认为是完全静态的，因此这一新的发现有助开发潜在的新疗法。相关研究结果近期发表在Biophysical Journal期刊上，论文标题为“Dynamics of the HIV Gag Lattice Detected by Localization Correlation Analysis and Time-Lapse iPALM”。
图片来自Biophysical Journal, 2020, doi:10.1016/j.bpj.2020.06.023。
当HIV病毒颗粒从受感染的细胞中出芽时，这种病毒在成为感染性病毒之前会经历一段滞后时间。作为一种以半分子形式嵌入GagPol蛋白中的酶，蛋白酶必须在称为二聚化的过程中与其他类似分子结合。这就触发了病毒成熟，从而导致感染性颗粒产生。没有人知道这些半蛋白酶分子是如何找到彼此并进行二聚化的，不过这可能与Gag和GagPol蛋白形成的晶格重新排列有关，毕竟Gag和GagPol蛋白就在病毒包膜的内部。Gag是一种主要的结构蛋白，已被证明足以组装病毒样颗粒。Gag分子形成了一种六边形晶格结构，这种晶格结构与自身交织在一起，并在中间夹杂着微小的空隙。这种新方法表明，Gag蛋白晶格并非一成不变。
论文第一作者、犹他大学物理与天文学系研究生科研助理ipsita Saha说，“相比于使用传统上只能提供静态信息的显微镜，这种方法领先了一步。除了新的显微镜方法外，我们还使用了数学模型和生化实验来验证这些晶格动态变化。除了病毒之外，这种方法的一个主要意义在于你能够观察分子如何在细胞中移动。你可以利用它研究任何生物医学结构。”
绘制纳米机器结构
这些研究人员一开始并不是为了寻找动态结构---他们只是想研究Gag蛋白晶格。在为期两年的研究工作中，Saha“破解了”显微镜技术，以便能够在室温下研究病毒颗粒并观察它们在现实生活中的行为。HIV病毒的尺寸比较小--直径约120纳米，因此Saha使用了干涉光激活定位显微镜（interferometric photoactivated localization microscopy, iPALM）。
Saha先是用一种名为Dendra2的荧光蛋白标记了Gag，并将产生的Gag-Dendra2蛋白构建出病毒样颗粒。这些病毒样颗粒与HIV颗粒相同，但仅由Gag-Dendra2蛋白晶格结构制成。Saha发现所产生的Gag-Dendra2蛋白组装成病毒样颗粒的方式与由普通Gag蛋白组装成病毒样颗粒的方式相同。这种荧光标记使得iPALM能够以10纳米的分辨率对病毒样颗粒进行成像。这些研究人员发现，每个固定化的病毒样颗粒都整合了1400～2400个Gag-Dendra2蛋白，这些蛋白排列成一个六边形的晶格。当他们使用iPALM数据重建这种晶格的延时图像时，Gag-Dendra2晶格似乎并不随着时间的推移而保持静止。为了确保这一点，他们用两种方式独立验证：数学和生化。
首先，他们将这种蛋白晶格分割成均匀的独立片段。通过相关性分析，他们测试了每个片段在10到100秒的时间内如何与自身关联。如果每个片段继续与自身相关，那么蛋白就是静止的。如果它们失去了相关性，那么这就说明蛋白已经扩散了。他们发现，随着时间的推移，蛋白是非常动态的。
他们验证这种动态晶格的第二种方法是生化方法。在这个实验中，他们构建出了病毒样颗粒，它的晶格由80%的Gag野生型蛋白、10%的由SNAP标记的Gag和10%的由Halo标记的Gag组成。蛋白SNAP和Halo可以结合将它们永远结合在一起的接头序列（linker）。这个想法是为了确定这种蛋白晶格中的分子是否保持静止，或者它们的位置是否发生了迁移。
Saha说，“Gag蛋白会随机地自我组装。SNAP和Halo分子可能出现在这种蛋白晶格内的任何地方---有些可能彼此靠近，有些会离得很远。如果这种蛋白晶格发生变化，那么这些分子就有可能相互靠近。”
Saha将一种名为Haxs8的分子引入到这些病毒样颗粒中。当SNAP和Halo蛋白在彼此的结合半径内时，Haxs8就会将它们共价结合在一起。如果SNAP或Halo分子靠近彼此移动，它们会产生二聚化复合物。她跟踪这些二聚化复合物的浓度随时间的变化。如果浓度发生变化，这就说明有新的分子对找到了彼此。如果浓度降低，这就表明这些蛋白分裂了。无论哪种情况，都表明运动已经发生了。他们发现，随着时间的推移，这些二聚化复合物的百分比增加了；HALO和SNAP Gag蛋白在整个晶格中移动，并随着时间的推移聚集在一起。
一种研究病毒的新工具
这是第一个表明包膜病毒的蛋白晶格结构是动态的研究。这种新工具对于更好地理解新病毒颗粒从不成熟到具有危险传染性时蛋白晶格内发生的变化将非常重要。
Saha说，“导致感染的分子机制是什么？它开辟了一条新的研究路线。如果你能弄清楚这个过程，也许你可以做一些事情来防止它们找到彼此，比如一种可以阻止病毒传播的药物。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Ipsita Saha et al. 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.
2.Pioneering method reveals dynamic structure in HIV
https://phys.org/news/2020-07-method-reveals-dynamic-hiv.html
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