圖片來源：Dave Meikle/Saffarian Lab

 

近日，一項(xiàng)刊登在國(guó)際雜志Biophysical Journal上題為“Dynamics of the HIV Gag Lattice Detected by Localization Correlation Analysis and Time-Lapse iPALM”的研究報(bào)告中，來自猶他大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們通過研究開發(fā)了一種新方法，其能在室溫下對(duì)病毒樣顆粒進(jìn)行實(shí)時(shí)高分辨率成像，研究者表示，這種方法揭示了，形成HIV主要結(jié)構(gòu)組分的晶格（lattice）處于動(dòng)態(tài)變化中，由Gag和GagPol蛋白形成的擴(kuò)散晶格（長(zhǎng)期以來一直被認(rèn)為是完全處于靜態(tài)的）或能幫助研究人員開發(fā)新型HIV療法。

 

當(dāng)HIV顆粒從受感染的細(xì)胞中萌芽時(shí)，在病毒具有感染性之前其會(huì)經(jīng)歷一段滯后過程，以一半分子形式嵌入到GagPol蛋白中的酶類—蛋白酶就會(huì)在二聚化的過程中與其它分子相結(jié)合，從而就會(huì)觸發(fā)病毒的成熟過程，目前并沒有人清除這些一半蛋白酶分子是如何找到彼此并進(jìn)行而聚化過程的，但其或許與位于病毒包膜內(nèi)的Gag和GagPol蛋白形成的晶格的重新排列有關(guān)，Gag是一種主要的結(jié)構(gòu)蛋白，其足以組裝病毒樣顆粒，Gag分子能形成一種晶格六邊形結(jié)構(gòu)，并與自身交織在一起，且其中間會(huì)夾雜著微小的間隙，而研究者所開發(fā)的新方法表明，Gag蛋白晶格或許并非一成不變。

 

研究者ipsita Saha表示，這種新方法能通過利用傳統(tǒng)上只提供靜態(tài)信息的顯微鏡進(jìn)行研究，但除了新的現(xiàn)為境外，研究者還是用了數(shù)學(xué)模型和生化實(shí)驗(yàn)來證實(shí)晶格的動(dòng)態(tài)學(xué)變化過程，除了病毒外，這種新方法的一個(gè)主要應(yīng)用就是能讓我們看到分子在細(xì)胞中是如何移動(dòng)的，這樣就能幫助研究者研究任何生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)。起初，科學(xué)家們并不是在尋找動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，他們只是想研究Gag蛋白的晶格，而研究人員試圖利用新型的顯微鏡技術(shù)來在室溫下研究病毒顆粒，從而實(shí)時(shí)觀察病毒的行為，由于HIV的尺寸非常小，大約僅有120納米直徑，因此研究人員利用了干涉光激活定位顯微鏡（iPALM）進(jìn)行了相關(guān)研究。

 

首先，研究者Saha利用名為Dendra2的熒光蛋白來標(biāo)記Gag，并將所得到的Gag-Dendra2蛋白制作成病毒樣顆粒，這些病毒樣的顆粒與HIV顆粒相同，但其僅由Gag-Dendra2蛋白晶格結(jié)構(gòu)制成，研究者表示，所產(chǎn)生的Gag-Dendra2蛋白組裝病毒樣顆粒的方式與病毒樣顆粒組成常規(guī)Gag蛋白的方式相同，熒光附著技術(shù)能讓iPALM以10納米的分辨力對(duì)顆粒進(jìn)行成像，研究者發(fā)現(xiàn)，每個(gè)固定化的病毒樣顆粒都能融入到1400-2400Gag-Dendra2蛋白中并排列成一個(gè)六邊形的晶格，當(dāng)研究者利用iPALM數(shù)據(jù)來重建晶格的延時(shí)圖像時(shí)，Gag-Dendra2的晶格似乎并不會(huì)隨著時(shí)間的推移而靜止，為了確定這一結(jié)果，研究人員利用了數(shù)學(xué)和生化兩種方法進(jìn)行驗(yàn)證。

 

 

 

圖片來源：Saha & Saffarian (2020) Biophys J.

 

首先，他們將蛋白晶格劃分為統(tǒng)一的獨(dú)立片段，利用關(guān)聯(lián)分析，研究者檢測(cè)了每個(gè)片段如何隨著時(shí)間的推移而與自身相關(guān)聯(lián)，如果每個(gè)片段能持續(xù)與自身相關(guān)聯(lián)，則蛋白質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，如果其失去了相關(guān)性，則說明蛋白質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了擴(kuò)散，研究者發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，蛋白質(zhì)處于動(dòng)態(tài)變化之中。其次，研究者使用生化方法驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)晶格，在實(shí)驗(yàn)中，他們開發(fā)出了病毒樣的顆粒，其晶格由80%的Gag野生蛋白、10%的SNAP標(biāo)記的Gag蛋白以及10%Halo標(biāo)記的Gag蛋白組成，SNAP和Halo是能夠結(jié)合在一起形成連接體的蛋白質(zhì)，研究者的想法是確定是否蛋白晶格中的分子能夠保持靜止不變或其是否會(huì)遷移位置。

 

研究者Saha說道，Gag-蛋白質(zhì)會(huì)隨機(jī)地自我組裝，SNAP和Halo可能會(huì)處于晶格中的任何地方，有些可能會(huì)彼此靠近，有些則會(huì)遠(yuǎn)離，如果晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的話，分子就可能會(huì)相互靠近；隨后研究人員將一種名為Haxs8的分子引入到了病毒樣顆粒中，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)，它們會(huì)共價(jià)結(jié)合，如果其二者彼此相鄰移動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生二聚體復(fù)合物，隨后研究者開始追蹤隨著時(shí)間變化這些二聚體復(fù)合物的濃度是否會(huì)發(fā)生變化，如果濃度發(fā)生變化，就說明新的分子發(fā)現(xiàn)了對(duì)方，如果濃度降低了則表明蛋白質(zhì)破裂了，無論哪種情況，都表明運(yùn)動(dòng)已經(jīng)發(fā)生了，研究者發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間延續(xù)，二聚體的百分比會(huì)增加，而Halo和SNAP Gag蛋白會(huì)在整個(gè)晶格中移動(dòng)，并隨著時(shí)間的推移會(huì)走到一起。

 

這項(xiàng)研究中，研究人員通過研究首次揭示了，包膜病毒的蛋白晶格結(jié)構(gòu)是處于動(dòng)態(tài)變化的，文章中研究人員開發(fā)的新工具或能更好地理解隨著病毒顆粒從不成熟過渡到危險(xiǎn)感染階段時(shí)晶格內(nèi)部所發(fā)生的變化；本文研究結(jié)果或許能幫助研究人員闡明HIV誘發(fā)感染的分子機(jī)制，如果研究者能弄清楚這一過程的話，或許就能開發(fā)出相應(yīng)的措施或藥物來阻斷HIV的進(jìn)展。（生物谷Bioon.com）

 

參考資料：

 

【1】Pioneering method reveals dynamic structure in HIV

 

【2】ipsita Saha, Saveez Saffarian. Dynamics of the HIV Gag Lattice Detected by Localization Correlation Analysis and Time-Lapse iPALM, Biophysical Journal (2020) doi:10.1016/j.bpj.2020.06.023