Science丨HIV-1整合体结构成功解构

virologica

2017年1月6日，Science杂志在线发表了来自美国索尔克生物学研究所Lyumkis教授团队的一项关于HIV-1整合体三维结构的研究成果。该团队应用冷冻电子显微镜技术成功构建并解析了整合体-连转移复合物（strand transfer complex ， STC）的三维原子模型。原文题为“Cryo-EM structures and atomic model of the HIV-1 strand transfer complex intasome”。

I型人类免疫缺陷病毒（Human immunodeficiency virus type 1，HIV-1）是引起获得性免疫缺陷综合症（Acquired immunodeficiency syndrome，AIDS）的病源。HIV-1呈球形，直径约120nm。病毒表面为脂质双层膜，剌突由外膜糖蛋白gp120和跨膜蛋白gp41组成，向内依次是基质壳和衣壳（Capsid），衣壳内有病毒RNA基因组以及整合酶（Integrase,IN）、蛋白酶（Protease,PR）和逆转录酶（Reverse Transcriptase,RT）。

HIV-1感染后，逆转录酶先将基因组RNA逆转录为cDNA链，然后在IN的催化下将病毒DNA整合到宿主DNA上，与宿主基因同时进行表达，产生病毒粒子。因而，IN是逆转录病毒复制的关键酶。由于人类细胞中不存在IN类似物，这使其成为了抗 HIV 研究的新热点。IN包含三个功能结构域：N 末端结构域（NTD），核心结构域（CCD)和C 末端结构域（CTD），这三个功能结构域的结构和功能都已经被确定。

整合酶将新合成的病毒DNA整合进宿主染色体分为两步：首先，病毒整合酶特异性地识别并切除病毒cDNA 3’末端的2个核苷酸(GT)，与病毒cDNA形成稳定的突触复合体（stable synaptic complex ，SSC）并穿过核膜上的核孔入核；其次，SSC介导病毒cDNA的羟基亲核攻击宿主DNA上的磷酸二酯骨架，最终使病毒 DNA 整合到宿主 DNA 上，形成链转移复合物（strand transfer complex ， STC）。SSC和STC被称为整合体（Intasomes）。目前，HIV-1整合酶链转移抑制剂已经成为国际上抗AIDS药物研究的热点。因而，获得高分辨率的整合体三维结构有助于新型链转移抑制剂药物的研究，并可有效解决HIV-1耐药性的难题。

该团队应用DNA结合蛋白Sso7d与IN的N末端进行了融合，成功装配成了HIV-1整合体-STC结构。经过镍柱纯化以及胶纯化步骤后，该团队应用冷冻电子显微镜技术重建了HIV-1整合体-链转移复合物的三维原子模型，分别率为3.5 ~4.5 Å。


                    STC三维结构

该STC结构包括四个IN原体（protomer），呈双面对称环绕DNA链转移产物（图）。每一个原体均包含一个NTD、CCD和CTD。位于内侧的原体三个功能结构域包裹病毒DNA双链的末端并带到宿主DNA，之后病毒DNA 3’-OH基团亲和攻击宿主DNA并形成STC。

研究人员首次详细阐述了HIV-1整合体STC的三维结构，为HIV-1新型链转移抑制剂药物的开发提供了新的理论依据，同时也为解决HIV-1耐药性问题提供了新思路。

参考文献
Dario Oliveira Passos, Min Li, Renbin Yang， et al. Cryo-EM structures and atomic model of the HIV-1 strand transfer complex intasome. Science, 2017, 355:1-4.