《Nature》艾滋病毒20年之谜今解开

　　

生物通报道，来自伦敦帝国学院，哈佛大学的科学家近期在Nature上发表HIV整合酶结构最新研究进展，整合酶结构问题是困扰科学家们20年的难题，今朝哈佛和帝国学院的科学家们在Retroviral intasome assembly and inhibition of DNA strand transfer一文中解开了这个20年的难题。

 

HIV-1中病毒编码的酶有三种，即逆转录酶、蛋白酶和整合酶。逆转录病毒DNA到宿主染色体的整合是复制周期中必不可少的一步，在逆转录酶的作用下，病毒的RNA转录为双链DNA，双链DNA在整合酶的作用下，与宿主细胞染色体DNA整合形成前病毒DNA，随染色体的复制而复制。整合酶在体内具有3′切割的内切酶活性和链转移活性。在HIV复制过程中，整合酶的功能是将病毒DNA整合到宿主细胞染色体中。即先特异性在病毒的长末端重复(long terminal repeat，LTR)3′末端各切掉2个核苷酸，暴露出3′-CA末端，再随机切割宿主DNA产生1个交错切口，然后将病毒DNA的3′端与宿主DNA的5′端连接起来，完成整合的功能。

 

整合酶因可将艾滋病病毒的遗传物质整合到宿主细胞DNA序列上而得名，它对艾滋病毒的复制具有关键的作用，因此，被认为是抗艾滋病病毒的适当药物靶位。

 

遗憾的是，这20年来由于对整合酶结构不了解，目前为止还没有一个整合酶抑制剂药物上市。截止到2005年，美国FDA批准上市的治疗艾滋病药物共有26个，其中核苷类逆转录酶抑制剂11个，非核苷类逆转录酶抑制剂3个，核苷酸类逆转录酶抑制剂1个，蛋白酶抑制剂10个，融合抑制剂1个。到目前为止，还没有整合酶抑制剂上市。

 

早些时候，由医学研究协会和美国NIH资助的整合酶结构研究项目均以失败告终，整合酶的三维结构成为HIV研究者们难以逾越的鸿沟。随着鸡尾酒疗法的逐步推进，HIV病毒的耐药性也日渐严重，科学家们期望寻求新的药物，整合酶成为最佳的设计靶位，遗憾的是迟迟没有破解整合酶结构。

 

哈佛大学与帝国学院的科学家们找到了一种新的方式来研究整合酶，他们选择了一种罕见的逆转录病毒PFV（prototype foamy virus），在实验室里制备出PFV整合酶高分辨率的结晶体，足够研究它的结构。PFV病毒与HIV病毒十分相似，因此整合酶结构也类似。

 

为了研究整合酶结构，研究小组花费了4年时间，所做大大小小的实验有40,000多次，最终得到7个完整的晶体，而其中，只有1个适合进行三维结构分析。

 

该研究小组的领导者，文章通讯作者，帝国医学院的科学家Peter Cherepanpov表示，我们的研究经历真是一个非同寻常的故事。在开始这个项目前，我们就已经做好了应对各种困难的准备，我们无数次地失败，又无数次地重新开始。所幸，我们没有放弃，最终取得成功。

 

通过艰苦卓绝的实验，科学家们终识别的整合酶的庐山真面目，这才发现，整合酶的三维结构与以往他们预测的是那么地不同，这也是为何那么多科学家通过预测的数据设计的整合酶抑制剂不发挥功效的原因。

 

下一步，科学家们将立足于整合酶的三维结构，进一步研究这些酶的功能，并在此基础上设计抗整合酶的药物。

（生物通 张欢）

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生物通推荐原文检索

Nature advance online publication 31 January 2010 | doi:10.1038/nature08784; Received 10 November 2009; Accepted 6 January 2010; Published online 31 January 2010

 

Retroviral intasome assembly and inhibition of DNA strand transfer

Stephen Hare1,3, Saumya Shree Gupta1,3,4, Eugene Valkov1,4, Alan Engelman2 & Peter Cherepanov1

 

Division of Medicine, Imperial College London, St-Mary’s Campus, Norfolk Place, London W2 1PG, UK

Department of Cancer Immunology and AIDS, Dana-Farber Cancer Institute, 44 Binney Street, Boston, Massachusetts 02115, USA

These authors contributed equally to this work.

Present addresses: Hannover Biomedical Research School, D-30625 Hannover, Germany (S.S.G.); School of Chemistry and Molecular Biosciences, University of Queensland, Brisbane, Queensland 4072, Australia (E.V.).

Correspondence to: Peter Cherepanov1 Correspondence and requests for materials should be addressed to P.C. (Email: [e-mail]).

 

【Abstract】

Integrase is an essential retroviral enzyme that binds both termini of linear viral DNA and inserts them into a host cell chromosome. The structure of full-length retroviral integrase, either separately or in complex with DNA, has been lacking. Furthermore, although clinically useful inhibitors of HIV integrase have been developed, their mechanism of action remains speculative. Here we present a crystal structure of full-length integrase from the prototype foamy virus in complex with its cognate DNA. The structure shows the organization of the retroviral intasome comprising an integrase tetramer tightly associated with a pair of viral DNA ends. All three canonical integrase structural domains are involved in extensive protein–DNA and protein–protein interactions. The binding of strand-transfer inhibitors displaces the reactive viral DNA end from the active site, disarming the viral nucleoprotein complex. Our findings define the structural basis of retroviral DNA integration, and will allow modelling of the HIV-1 intasome to aid in the development of antiretroviral drugs.