PNAS：首次解析出HIV-1基质的原子视图，有助于揭示这种病毒组装和包膜蛋白整合机制

导致艾滋病的HIV-1的组装发生在受感染细胞的内质膜层上，这是一个几何构建过程，在病毒蛋白Gag的N端基质结构域（matrix domain, MA）的引导下，从病毒Gag蛋白的三聚体中产生六聚体。然而，四十年来一直缺乏这种病毒颗粒组装的某些细节。在一项新的研究中，阿拉巴马大学伯明翰分校微生物学教授Jamil Saad博士及其同事们提供了HIV-1基质晶格的首个原子视图，以2.1埃的分辨率显示了它的分子细节，这一发现推进了对病毒组装和病毒包膜蛋白（Env）整合的关键机制的理解。相关研究结果发表在2022年6月3日的PNAS期刊上，论文标题为“Atomic view of the HIV-1 matrix lattice; implications on virus assembly and envelope incorporation”。

Saad说，“我们的发现可能有助于开发新的治疗药物，以抑制HIV-1组装、包膜整合和最终的病毒产生。”

Gag蛋白经过翻译后修饰，在此过程中加入了一个类似脂质的豆蔻酸基团（myristate），以帮助Gag与质膜结合。在此之前，Gag的豆蔻化基质结构域（myristoylated matrix domain, myrMA）是如何组装成晶格的，仍然是未知的。

低分子分辨率的技术---比如低温电子衍射和低温电子断层扫描---表明myrMA蛋白组装为三聚体，然后这些三聚体经历高阶组装，形成六聚体。Saad的研究与近期的一项研究的结果一致，即myrMA蛋白经历了巨大的结构变化，以便在未成熟和成熟的病毒颗粒中形成不同的六聚体晶格。病毒成熟是病毒复制周期的最后一步，因为在组装好的病毒内形成了包膜核心，从而产生了具有传染性的病毒颗粒。

HIV-1的包膜蛋白（Env）是一种跨膜蛋白，通过细胞的分泌途径输送到质膜上。Env的大部分延伸到质膜外，但有一条尾巴穿过质膜进入细胞内部。遗传和生化研究已表明病毒Env蛋白整合到病毒颗粒中还取决于myrMA结构域和Env的细胞质尾巴之间的相互作用。2017年，Saad实验室已解析出Env的细胞质尾巴的高分辨率结构，这是HIV-1的最后一个未知的蛋白结构（Structure, 2017, doi:10.1016/j.str.2017.09.010）。

图片来自Structure, 2017, doi:10.1016/j.str.2017.09.010。

Env是一个关键的病毒蛋白。当成熟的HIV-1病毒接近靶细胞时，Env附着在这个未被感染的细胞外部的蛋白上，然后Env蛋白像捕鼠器一样结合上去，从而使得病毒膜与细胞膜融合在一起。

在Saad及其同事们描述的HIV-1基质晶格结构中，myrMA的豆蔻酸基团在稳定这种晶格结构方面起着关键作用，因此形成myrMA晶体的能力很重要。他们通过从长132个氨基酸的myrMA末端去除20个氨基酸来完成这一难以捉摸的技术挑战。众所周知，在质膜上形成Gag晶格对于未成熟的HIV-1的组装和Env的整合是必需的。

Saad及其同事报告说，他们的myrMA晶格被排列为带有中心孔的三聚体晶格的六聚体，被认为是为了容纳Env的细胞质尾巴以促进Env整合到病毒颗粒中。他们的myrMA晶体使他们能够观察myrMA晶格中附着的豆蔻酸基团。他们发现，myrMA的一个亚基上的豆蔻酸基团穿过二倍轴插入到这个亚基的疏水腔中，实现了“豆蔻酸基团交换（myr swapping）”，而且他们还报告了三聚体之间的其他分子相互作用。他们描述了有助于稳定三聚体晶格的六聚体的额外分子细节。

通过进行诱变研究，再加上核磁共振技术，这些作者提供了证据，表明HIV-1基质中的单一氨基酸---13位点或31位点的亮氨酸替换为谷氨酸---引起了myrMA的构象变化，这可能会破坏myrMA晶格内三聚体之间的相互作用。以前的遗传学研究表明，13位点或31位点的亮氨酸替换对Env整合有不利影响。

这项新研究的另一个重要发现是证明了Gag的交替膜结合机制，已知这是由myrMA结构域与磷脂酰肌醇4,5-二磷酸---PI(4,5)P2---的相互作用介导的，后者是一种专门定位在内质膜层的脂质。这些作者发现PI(4,5)P2能够与基质结构域（MA）上的其他位点结合。这与在未成熟的病毒颗粒的组装过程中和成熟过程中，MA-膜与PI(4,5)P2交替结合的新机制是一致的。

Saad说，“总之，我们为HIV-1 myrMA晶格提供了一个原子视图，揭示了关于myrMA亚基、三聚体、三聚体-三聚体界面、myr交换、MA突变对myrMA结构的影响以及由此形成的晶格的缺陷的宝贵结构见解。我们的数据还支持在病毒组装和成熟过程中交替出现的MA-PI(4,5)P2结合机制。这些发现填补了我们对Gag在质膜上的组装和Env整合到病毒颗粒中的机制的一个主要空白。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Alexandra B. Samal et al. Atomic view of the HIV-1 matrix lattice; implications on virus assembly and envelope incorporation. PNAS, 2022, doi:10.1073/pnas.2200794119.