HIV-2包膜刺突与CXCR4受体识别的冷冻电镜结构揭示CXCL12抑制机制及HIV入侵新见解

本研究通过冷冻电镜解析了CXCR4与HIV-2包膜蛋白gp120的复合物结构，揭示了CXCR4以四聚体形式存在，并发现其与配体CXCL12形成8:4和8:8化学计量比的复合物。关键发现包括V3环的GFKF基序深度嵌入CXCR4主要亚口袋，以及CXCL12 N端与HIV-2 V3环的空间冲突机制，阐明了CXCL12抑制HIV入侵的结构基础。该研究为HIV共受体转换机制和靶向药物设计提供了重要见解。

　　

HIV病毒入侵宿主细胞的关键步骤依赖于其包膜蛋白与细胞表面受体的相互作用，其中CD4作为主要受体，而趋化因子受体CCR5和CXCR4作为共受体协同介导病毒进入。尽管CCR5在HIV-1感染中研究较为深入，但CXCR4作为另一重要共受体，其与HIV包膜蛋白的精确识别机制长期以来缺乏高分辨率结构信息。更复杂的是，CXCR4的内源性配体CXCL12能够抑制HIV感染，但这种抑制的结构基础尚未阐明。此外，HIV病毒株从CCR5向CXCR4使用的共受体转换现象与疾病进展密切相关，却缺乏机制解释。这些悬而未决的问题促使研究人员对CXCR4与HIV包膜蛋白的相互作用进行深入探索。

为解决这些问题，来自纪念斯隆-凯特琳癌症中心和张志英、张宏伟、郑吕琴等团队的研究人员利用冷冻电镜技术，系统解析了CXCR4与其天然配体CXCL12、HIV-2 gp120蛋白以及三元复合物的高分辨率结构。该研究于2025年9月30日发表在《Nature Communications》上。

研究人员主要采用以下关键技术方法：使用FreeStyle 293-F和Expi293细胞表达人源CXCR4、HIV-2 gp120和CD4胞外域蛋白；通过亲和层析和尺寸排阻色谱纯化蛋白及复合物；采用冷冻电镜单颗粒分析解析结构，分辨率达2.9–4.10 ?；利用Pull-down和免疫共沉淀验证关键相互作用；通过天然PAGE和质谱光度法分析复合物化学计量比。

Overall structure of human CXCR4 tetramer

研究发现CXCR4以同源四聚体形式存在，这一组装由跨膜螺旋TM5、TM6和TM7与相邻原体的TM1之间的相互作用介导。除了疏水作用外，极性残基如Q272、E275、Q66和K68形成氢键网络，而F36、F40和W283通过π-π堆积进一步稳定四聚体界面。与先前报道的二聚体晶体结构相比，四聚体界面存在显著差异，TM6和TM7发生10°和5°的旋转，揭示了CXCR4寡聚化的新机制。

Two distinct assembly mechanisms of CXCL12-CXCR4 complex formation

研究解析了CXCL12与CXCR4复合物的两种化学计量比结构：8:4和8:8。CXCL12以二聚体形式结合CXCR4四聚体，其N端插入CXCR4的CRS2口袋，与E288形成盐桥。关键相互作用包括Y7与F189/Y190的π-π堆积，以及R12与E268的盐桥。突变实验表明R12突变完全破坏结合，凸显了ECL3区域的重要性。与激活状态结构比较发现，TM5-7在激活过程中发生12–13 ?的位移，且CXCL12与CXCR4的相对方向发生7 ?偏移。

Architecture of CXCR4-gp120^HIV-2 complex

CXCR4与HIV-2 gp120复合物呈现4:1化学计量比，V3环（残基305-313）以反向交叉构象嵌入CXCR4口袋。GFKF基序中的F309与R188和H203发生阳离子-π和π-π相互作用，K310与E288形成盐桥，F311与I185/F189产生疏水作用。H312与E277和D262形成分叉氢键，并与H281存在π-π堆积。此外，K314与E268的盐桥进一步稳定了结合。突变研究证实K310和H312是结合的关键残基。

Reconstitution of CXCR4-gp120^HIV-2-CD4 complex

成功组装了CXCR4-gp120^HIV-2-CD4三元复合物，但仅获得中分辨率结构。CD4的结合未引起gp120核心区域的显著构象变化。质谱光度法表明复合物主要以1:1或1:2化学计量比存在。与HIV-1相比，HIV-2 gp120的结合模式允许更高阶的复合物形成，而HIV-1 gp120则因空间冲突难以实现多价结合。

Potential mechanism of co-receptor switch

通过结构建模分析了V3环突变如何增强CXCR4结合能力。D320R突变可与E31和E277形成盐桥，S306R突变与F189产生阳离子-π相互作用，而G323R/D324R双突变则与D181/D182形成氢键/盐桥。这些突变在CCR5中不保守，解释了共受体特异性转换的结构基础。

Insight into CXCL12 and HIV antagonists' inhibition

结构比较表明CXCL12的N端与HIV V3环存在空间冲突，解释了其抑制机制。对不同抑制剂的结合模式分析显示：IT1t结合次要亚口袋，主要抑制HIV-1；AMD3100同时占据主要和次要亚口袋，对HIV-1和HIV-2均有抑制；CVX15通过堆叠在主要亚口袋阻断V3环插入；vMIP-II则通过空间位阻抑制两者结合。

该研究首次揭示了CXCR4四聚体的结构特征及其与HIV-2 gp120的精确识别机制，阐明了CXCL12通过N端与V3环竞争性结合抑制HIV入侵的结构基础。研究发现的不同化学计量比复合物为理解CXCR4的多元功能提供了新视角，而共受体转换机制的分析则为针对X4型HIV毒株的药物设计提供了重要依据。特别值得注意的是，HIV-1和HIV-2在CXCR4结合模式上的显著差异可能解释了两者在致病机制和传播特性上的不同，为开发广谱HIV抑制剂提供了新的靶点思路。这些发现不仅深化了对HIV入侵机制的理解，也为针对CXCR4的艾滋病治疗药物和抗癌药物的开发提供了结构基础。