開創(chuàng)性方法揭示艾滋病病毒的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

病毒太可怕了。它們像無形的一樣入侵我們的細(xì)胞，每種類型都有自己的攻擊策略。當(dāng)病毒摧毀人類和動(dòng)物群落時(shí)，科學(xué)家會(huì)反擊。許多人使用電子顯微鏡，它可以“看到”病毒中的每個(gè)分子在做什么。然而，即使有最先進(jìn)的技術(shù)，樣品也需要冷凍和固定才能獲得最高的分辨率。

現(xiàn)在，猶他大學(xué)的物理學(xué)家開創(chuàng)了一種在室溫下以令人印象深刻的分辨率對病毒樣粒子進(jìn)行實(shí)時(shí)成像的方法。在一項(xiàng)新的研究中，這種方法揭示了人類免疫缺陷病毒(HIV)主要結(jié)構(gòu)成分的晶格是動(dòng)態(tài)的。Gag和GagPol蛋白構(gòu)成的擴(kuò)散晶格的發(fā)現(xiàn)長期以來被認(rèn)為是完全靜態(tài)的，這為潛在的新療法開辟了道路。

當(dāng)艾滋病毒顆粒從受感染的細(xì)胞中發(fā)芽時(shí)，病毒會(huì)經(jīng)歷一段時(shí)間的滯后，然后才會(huì)變得具有傳染性。蛋白酶是一種以半分子形式嵌入GagPol蛋白中的酶，它必須與其他類似分子在一個(gè)稱為二聚化的過程中結(jié)合。這引發(fā)了病毒成熟，導(dǎo)致傳染性粒子。沒有人知道這些半蛋白酶分子是如何相互發(fā)現(xiàn)并二聚的，但這可能與病毒包膜內(nèi)Gag和GagPol蛋白的晶格重排有關(guān)。Gag是一種主要的結(jié)構(gòu)蛋白，已被證明足以組裝病毒樣顆粒。gag分子形成一個(gè)六邊形的晶格結(jié)構(gòu)，它與自身糾纏在一起，并穿插著微小的間隙。新方法表明Gag蛋白點(diǎn)陣不是靜態(tài)的。

這項(xiàng)研究的主要作者Ipsita Saha說：“這種方法通過使用傳統(tǒng)上只能提供靜態(tài)信息的顯微鏡技術(shù)向前邁出了一步。除了新的顯微鏡方法，我們還使用數(shù)學(xué)模型和生化實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證晶格動(dòng)力學(xué)?！泵绹锢砗吞煳膶W(xué)系?！俺瞬《?，這種方法的主要意義在于，你可以看到分子在細(xì)胞中是如何運(yùn)動(dòng)的。你可以用這種方法研究任何生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)。”

本文發(fā)表于2020年6月26日《生物物理雜志》。

測繪納米機(jī)器

科學(xué)家起初并不是在尋找動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，只是想研究Gag蛋白點(diǎn)陣。薩哈領(lǐng)導(dǎo)“黑客”顯微鏡技術(shù)的研究工作兩年，以便能夠在室溫下研究病毒顆粒，觀察它們在現(xiàn)實(shí)生活中的行為。病毒的大小非常小——直徑約為120納米——因此，薩哈使用了干涉光敏定位顯微鏡(iPALM)。

首先，薩哈用一種叫做樹突狀細(xì)胞2的熒光蛋白標(biāo)記了Gag，并產(chǎn)生了Gag-樹突狀細(xì)胞2蛋白的病毒樣顆粒。這些病毒樣顆粒與HIV顆粒相同，但僅由Gag-Dendra2蛋白的晶格結(jié)構(gòu)組成。Saha表明，獲得的Gag-Dendra2蛋白以與構(gòu)成常規(guī)Gag蛋白的病毒樣顆粒相同的方式組裝病毒樣顆粒。熒光附件使iPALM能夠以10納米的分辨率成像粒子?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，每個(gè)固定的病毒樣顆粒以六邊形網(wǎng)格的形式與1400至2400種Gag-Dendra2蛋白結(jié)合。當(dāng)他們使用iPALM數(shù)據(jù)重建晶格的延遲圖像時(shí)，似乎Gag-Dendra2的晶格在時(shí)間上不是靜態(tài)的。為了確保這一點(diǎn)，他們通過兩種方式獨(dú)立驗(yàn)證：

首先，他們將蛋白質(zhì)點(diǎn)陣分成均勻的獨(dú)立片段。通過相關(guān)性分析，他們測試了每個(gè)片段在10到100秒內(nèi)是如何相互關(guān)聯(lián)的。如果每個(gè)片段繼續(xù)與自身相關(guān)，蛋白質(zhì)就固定了。如果它們失去相關(guān)性，蛋白質(zhì)就會(huì)擴(kuò)散。他們發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，這些蛋白質(zhì)非常活躍。

他們驗(yàn)證動(dòng)態(tài)點(diǎn)陣的第二種方法是生化法。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們創(chuàng)造了病毒樣顆粒，其晶格由80% Gag野生型蛋白質(zhì)、10% SNAP標(biāo)記的Gag和10% Halo標(biāo)記的Gag組成。Snaphalo和Snaphalo是可以與連接器結(jié)合的蛋白質(zhì)，它們可以永久結(jié)合在一起。這個(gè)想法是為了確定蛋白質(zhì)晶格中的分子是保持靜止還是已經(jīng)遷移。

薩哈說：“Gag蛋白是隨機(jī)組裝的。snaphalo分子可以在晶格中的任何位置——有些可能彼此靠近，而有些則遠(yuǎn)離?！?如果晶格改變，分子可能會(huì)彼此靠近."

Saha將一種叫做Haxs8的分子引入到病毒樣顆粒中。Haxs8是一種二聚體——當(dāng)SNAP和Halo蛋白在彼此的結(jié)合半徑內(nèi)時(shí)，它們共價(jià)結(jié)合的分子。如果SNAP或Halo分子彼此相鄰移動(dòng)，它們將產(chǎn)生二聚體。隨著時(shí)間的推移，她追蹤了這些復(fù)雜的二聚化濃度。如果濃度變化，則表明有新的分子對。如果濃度降低，說明蛋白質(zhì)分解了。無論哪種方式，它都將表明運(yùn)動(dòng)已經(jīng)發(fā)生。他們發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，二聚體的百分比增加。HALO和SNAP Gag蛋白在整個(gè)晶格中移動(dòng)，并隨著時(shí)間的推移聚集在一起。

病毒研究的新工具

這是首次研究表明包膜病毒的蛋白質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的。這個(gè)新工具對于更好地理解新病毒顆粒變得不成熟和危險(xiǎn)感染時(shí)發(fā)生的晶格變化非常重要。

標(biāo)簽：