HIV-1基因组U5-AUG双链闭合域结构解析：大规模预测揭示SDa 发夹主导构象及其生物学意义

研究人员针对HIV-1 5′前导区U5-AUG双链闭合域（PD domain）的结构争议，通过大规模计算机预测分析2754个基因组，发现Wilkinson模型变体PDW a （含替代SDa 发夹）为优势构象，而Keane模型仅占3.8%。该研究为病毒复制关键阶段的RNA结构调控提供新见解，对靶向治疗设计具有重要意义。

　　

在人类免疫缺陷病毒（HIV）研究领域，病毒基因组5′前导区的复杂结构一直是科学家们探索的焦点。这段看似微小的RNA区域，实则掌控着病毒复制周期中多个关键步骤的"指挥权"——从基因组二聚化、病毒颗粒包装到逆转录起始。然而，关于这段区域中U5-AUG双链闭合域（PD domain）的具体结构，科学界长期存在争议，不同研究团队提出了Abbink and Berkhout、Wilkinson、Sakuragi和Keane四种主要模型，其中Keane模型近年来被广泛引用为"标准结构"。但这是否真实反映了绝大多数HIV-1毒株的情况？这个问题的答案不仅关乎基础科学认知，更直接影响靶向RNA结构的抗病毒药物设计。

为解开这个谜团，研究人员开展了一项迄今为止最大规模的HIV-1基因组结构分析。他们采用计算机预测方法，系统研究了2754个不同亚型的HIV-1基因组，结果发现了一个令人惊讶的事实：被广泛引用的Keane模型结构实际上仅在3.8%的B亚型毒株中出现，而绝大多数毒株（包括所有二聚化分组）的优势结构是Wilkinson模型的变体PD_W
^a
——其最大特征是具有替代性的SD^a
发夹结构。这项颠覆性发现发表在《Virus Research》上，为HIV研究领域提供了重要的结构生物学修正。

研究团队运用UNAFold（Unified Nucleic Acid Folding）程序进行RNA二级结构预测，设置ΔΔG<1.0 kcal/mol的能量阈值以捕获共存的亚稳态结构。分析对象涵盖HIV-1 M组的17个亚型和158个循环重组型（CRF），按DIS发夹特征分为Lai、Trans、F、Mal和C五个二聚化组。研究特别关注了U5-AUG双链、GACGC-GCGUC双链等关键结构元件，并通过约束条件模拟tRNA^Lys3
与引物结合位点（PBS）的相互作用。

研究结果部分揭示了多个重要发现：

3.1. U5-AUG双链闭合域的最优结构
在所有二聚化组的HIV-1基因组中，PD_W
^a
变体（类似Wilkinson模型但含SD^a
发夹）是主导结构。值得注意的是，60%的Mal组基因组在最优结构中甚至不形成DIS发夹，暗示二聚化能力可能仅在亚稳态中出现。通过NL4-3毒株的案例分析，研究人员发现PD_W
^a
与PD_W
的能量差仅0.2 kcal/mol，且特定碱基变化（如SD/Psi连接区的A→U）可平衡两者稳定性。

3.2. 新结构变体的发现
在ΔΔG<1.0 kcal/mol条件下，研究人员鉴定出I2-3、I2-5等新型PD变体，其特征是含有2-5个碱基对的内部双链。这些变体在C亚型（87%含Psi发截短突变U1A）和Mal组中尤为常见，揭示了亚型特异性的结构适应性。

3.3. Keane模型结构的罕见性
深入分析显示，Keane模型（PD_K
）仅在Lai组中相对常见（3.8%），其形成依赖于SD^a
发夹的U1C/A突变（对应普通SD的U7C/A）和Psi发夹的稳定化。保守性分析表明，PD_K
的内部双链（UUGuGUG-CGCCAA）在结构上的保守性（84.7%）远低于Sakuragi模型的GACGC-GCGUC双链（近100%）。

在结论与讨论部分，研究强调了三个核心观点：首先，PD_W
^a
作为优势结构可能在病毒复制早期阶段发挥功能，而高度保守的Sakuragi模型结构可能在核衣壳蛋白存在的晚期阶段形成。其次，不同二聚化组间的结构差异（如Mal组DIS发夹的频繁缺失）反映了HIV-1群体的进化多样性。最后，研究提出的结构模型为开发靶向RNA的小分子药物提供了新思路——特别是针对CU-GA内部双链或SD^a
发夹等关键元件。这项研究不仅修正了领域内长期存在的结构认知偏差，更为理解HIV-1复制调控的分子机制奠定了新的理论基础。