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HIV的这个结构原来是动态的,一直被以为是完全静止的

HIV的这个结构原来是动态的,一直被以为是完全静止的
导读

认知很可怕,如果你本来要去北方的小明家,却被指路人告诉相反的方向,等你意识到时一定付出了惨痛的代价。同样科学研究也在不断纠错,一项项基础研究是确保发现正确方向的保障,本文讲述HIV的组成晶格结构是动态的,以前一直被认为是完全静止的。

病毒很可怕。它们像无形的军队一样入侵我们的细胞,每种病毒都有自己的攻击策略。当病毒摧毁人类和动物群落时,科学家争先恐后地进行反击,许多人利用电子显微镜“查看”病毒中的各个分子在做什么。然而,即使是最先进的技术,也需要将样品冷冻并固定以获得观测的最高分辨率。

现在,犹他大学的物理学家开创了一种在室温下实时成像获得高分辨率病毒样颗粒的方法。在一项新研究中,该方法揭示了形成人类免疫缺陷病毒(HIV)主要结构成分的晶格是动态的。长期以来,人们一直认为由Gag和GagPol蛋白制成的晶格是完全静态的,这为潜在的新疗法开辟了道路。

当HIV颗粒从受感染的细胞中出芽时,病毒需要一段时间后才能变得具有感染力。蛋白酶,一种半分子形式嵌入GagPol蛋白的酶,必须在称为二聚化的过程中与其他类似分子结合。这触发了病毒成熟,导致了感染性颗粒。没有人知道这半个蛋白酶分子是如何相互发现并二聚化的,但可能与病毒包膜内Gag和GagPol蛋白形成的晶格重排有关。Gag是主要的结构蛋白,已被证明足以组装病毒样颗粒。Gag分子形成晶格的六边形结构,该结构与自身缠绕在一起,并散布着微小的间隙。新方法表明Gag蛋白晶格不是静态的。

通过使用传统上仅提供静态信息的显微镜技术,该方法向前迈了一步。除了新的显微镜方法外,我们还使用数学模型和生化实验来验证晶格动力学。除病毒外,该方法的主要含义是您可以看到分子如何在细胞中移动。您可以以此来研究任何生物医学结构。”

这种方法比传统上只提供静态信息的显微镜技术进步了一步。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晶格动力学。除了病毒,这种方法的一个主要含义是你可以看到分子是如何在细胞中移动的。你可以用这个来研究任何生物医学结构。”

Ipsita Saha,主要作者,美国物理与天文学系研究生助理

论文发表于2020年6月26日《生物物理杂志》。

绘制纳米机器

科学家们一开始并不是在寻找动态结构,他们只是想研究Gag蛋白的晶格。Saha领导了为期两年的“hack”显微镜技术,以便能够在室温下研究病毒粒子,观察它们在现实生活中的行为。这种病毒的规模很小,直径约120纳米,因此Saha使用干涉光激活定位显微镜(iPALM)。

首先,Saha用一种叫做Dendra2的荧光蛋白标记Gag,并产生Gag-Dendra2蛋白的病毒样颗粒。这些病毒样颗粒与HIV颗粒相同,但仅由Gag-Dendra2蛋白晶格结构构成。Saha表明,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规则Gag蛋白的方式相同。荧光附着物使iPALM能够以10纳米的分辨率成像粒子。科学家们发现,每一个固定化的病毒样颗粒包含1400到2400个Gag-Dendra2蛋白,排列成六边形。当他们使用iPALM数据重建晶格的延时图像时,发现Gag-Dendra2的晶格并不是随时间而静止的。为了确保这一点,他们分别从数学和生化两个方面进行了验证。

首先,他们将蛋白质晶格分成统一的独立片段。通过相关性分析,他们测试了每一段时间内(从10秒到100秒)每个片段是如何与其自身相关的。如果每个片段继续与自身相关,则蛋白质是稳定的。如果它们失去了相关性,蛋白质就会扩散。他们发现,随着时间的推移,这些蛋白质是非常动态的。

第二种验证动态晶格的方法是生化的。在这项实验中,他们创造了类似病毒的粒子,其晶格由80%的Gag野生型蛋白、10%的Gag用SNAP标记、10%的Gag用Halo标记。SNAP和Halo是一种蛋白质,它们可以结合一个链接器,使它们永远结合在一起。这个想法是为了确定蛋白质晶格中的分子是否保持静止,或者它们是否移动了位置。

Gag蛋白会随机地自我组装。“SNAP和Halo分子可能在晶格中的任何地方——有些可能彼此靠近,有些则远离,”Saha说如果晶格发生变化,分子之间就有可能相互靠近。”

Saha将一种叫做Haxs8的分子引入病毒样颗粒中。Haxs8是一种二聚体——当SNAP和Halo蛋白在彼此的结合半径范围内时,它们共价结合的分子。如果SNAP或Halo分子相邻移动,它们将产生一种二聚物。她追踪了这些二聚物的浓度。如果浓度发生变化,则表明新的分子对相互发现。如果浓度降低,说明蛋白质发生了断裂。不管是哪种情况,这都表明运动已经发生了。他们发现,随着时间的推移,二聚复合物的百分比增加;HALO和SNAP-Gag蛋白在晶格上移动,并且随着时间的推移聚集在一起。

研究病毒的新工具

这是第一次研究表明,被包裹病毒的蛋白质晶格结构是动态的。这个新的工具对于更好地理解新病毒粒子从不成熟到具有危险传染性的晶格中发生的变化非常重要。

“导致感染的分子机制是什么?“它开辟了一条新的研究方向,”Saha说如果你能弄清楚这个过程,也许你可以做些什么来阻止他们找到对方,比如一种能阻止病毒在其传播路径上传播的药物。”

saveezsaffarian,美国物理与天文学系教授,是这篇论文的资深作者。

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