PNAS提出HIV-1如何组装和合并Env蛋白的新见解

【字体: 时间:2022年06月23日 来源:Proceedings of the National Academy of Sciences

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  HIV-1的组装发生在受感染细胞的内质膜单叶上,这是一个由病毒Gag蛋白的三聚体生成六聚体的几何构建过程,由Gag的n端基质结构域引导。然而,40年来,病毒粒子组装的细节一直不为人知。研究人员现在提供了矩阵晶格的第一个原子视图,显示了2.1埃分辨率的分子细节,促进了对病毒组装和病毒包膜蛋白结合的关键机制的理解。

  
   

Jamil Saad    

图片:贾米尔萨德


引起艾滋病的HIV-1的组装发生在感染细胞的内质膜单叶上,这是一个由Gag蛋白的n端矩阵结构域引导,由病毒Gag蛋白的三聚体生成六聚体的几何构建过程。

然而,40年来,病毒粒子组装的某些细节一直不为人知。在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中,Jamil Saad博士及其同事首次提供了矩阵晶格的原子视图,显示了2.1埃分辨率下的分子细节,这一步骤推进了对病毒组装和病毒包膜蛋白结合的关键机制的理解。

阿拉巴马大学伯明翰分校的微生物学教授Saad说:“我们的发现可能有助于开发新的治疗剂,抑制HIV-1的组装、包膜合并和最终的病毒产生。”

Gag蛋白是经过翻译后修饰的,其中加入了类脂的肉豆蔻酸团来帮助Gag结合到质膜上。Gag的肉豆素化矩阵域(myrMA)是如何组装成晶格的,至今仍未被发现。

低分子分辨率的技术——如冷冻电子衍射和冷冻电子断层扫描——表明myrMA蛋白以三聚体的形式组织,这些三聚体然后进行高阶组织,形成三聚体中的六聚体。Saad的研究与最近的一项研究一致,该研究表明,myrMA蛋白经历了巨大的结构变化,以允许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,因为衣壳核心在组装好的病毒内部形成,产生感染性颗粒。

HIV-1的包膜蛋白(Env)是一种跨膜蛋白,通过细胞的分泌途径传递到质膜上。Env蛋白的大部分延伸出细胞膜,但有一条尾巴穿过细胞膜回到细胞内部。遗传和生化研究表明,病毒Env蛋白融入病毒颗粒也依赖于myma结构域和Env细胞质尾部之间的相互作用。2017年,Saad的实验室解决了Env细胞质尾部的高分辨率结构,这是HIV-1最后一个未知的蛋白质结构。

Env是一个关键的感染蛋白。当成熟的HIV-1病毒接近靶细胞时,Env会附着在未受感染细胞外部的蛋白质上,然后Env蛋白质像捕鼠器一样折断,将病毒膜与细胞膜融合。

在Saad和UAB同事描述的结构中,myrMA的肉豆素酸在稳定晶格结构中起着关键作用,因此myrMA形成晶体的能力是重要的。他们通过从132个氨基酸的myrMA末端除去20个氨基酸,实现了这一难以捉摸的技术挑战。在质膜上形成Gag晶格对于未成熟的HIV-1和Env合并是必须的。

Saad和他的同事们报告说,他们的myrMA晶格被安排成带有中心孔的三聚体六聚体,被认为容纳了Env的c末端尾部,从而促进与病毒粒子的结合。它们的myma晶体使它们能够观察到晶格中附着的myr基团。他们发现,myrMA的一个亚基的myr基团插入到亚基的疏水腔中,穿过双轴,引入了“肉豆蔻酰基交换”,他们还报道了三聚体之间的其他分子相互作用。研究人员描述了有助于稳定三聚体晶格的六聚体的额外分子细节。

通过进行诱变研究并结合核磁共振技术,研究人员提供了证据,证明基质中的单个氨基酸替换——亮氨酸-13或亮氨酸-31取代谷氨酸——会引起myrMA构象变化,这可能会破坏晶格内的三聚体相互作用。先前的遗传学研究表明,亮氨酸-13或亮氨酸-31的替代对Env的掺入有不利影响。

本研究的另一项重要发现是证明了交替膜结合Gag的机制,该机制是由myma结构域与磷脂酰肌醇4,5-二磷酸或PI(4,5)P2的相互作用介导的,PI(4,5)P2是一种专门位于质膜内小叶上的脂质。UAB的研究人员表明PI(4,5)P2能够结合到MA上的其他位点。这与在未成熟颗粒组装和成熟过程中交替ma膜与PI(4,5)P2结合的新机制一致。

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突变缺陷Env结合对myrMA结构的影响以及晶格形成的宝贵结构见解。”“我们的数据也支持病毒组装和成熟过程中MA-PI (4,5)P2交替结合机制。这些发现填补了我们对Gag在质膜上组装和Env融入病毒颗粒机制的理解中的一个重大空白。”

与Saad共同撰写了这项研究,“HIV-1矩阵晶格的原子视图。Marnix E. Heersink医学院UAB微生物学系Alexandra B. Samal和Todd J. Green表示。

文章标题

Atomic view of the HIV-1 matrix lattice. Implications on virus assembly and envelope incorporation

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