Science：HIV重大突破！史上最详细HIV包膜三维结构出炉！

屈泰龙

这项研究首次解析出HIV Env三聚体处于自然状态下的高分辨率结构图，其中HIV利用Env三聚体侵入宿主细胞。图片来自The Scripps Research Institute。

2016年3月6日/生物谷BIOON/--在一项新的研究中，来自美国斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute, TSRI）的研究人员解析出负责识别和感染宿主细胞的HIV蛋白的高分辨率结构图片。相关研究结果发表在2016年3月4日那期Science期刊上，论文标题为“Cryo-EM structure of a native, fully glycosylated, cleaved HIV-1 envelope trimer”。

这项研究是首次解析出这种被称作包膜糖蛋白三聚体（envelope glycoprotein trimer，以下称Env三聚体）的HIV蛋白处于自然状态下的结构图。这些也包括详细地绘制这种蛋白底部的脆弱位点图，以及能够中和HIV的抗体结合位点图。

论文通信作者、TSRI副教授Andrew Ward说，“这种结构一直是很难捕捉的，这是因为它比较脆弱，在能够对获取它的图片之前，就已瓦解了。如今，我们知道它的自然状态是什么样子，下一步就是研究疫苗应用。”

研究HIV防御

先想象一下一架飞机准备着陆。接着，想象一下机场覆盖着大量的铁丝网。这就是人体内的抗体试图中和HIV时所面临的类似挑战。

Ward说，“人免疫系统能够产生免疫反应，但是这些反应不能有效地攻击这种病毒。”

理想地，抗体能够靶向作用于HIV的Env三聚体，即三个松散连接的蛋白，从HIV病毒包膜伸向外面，能够让该病毒与宿主细胞融合，从而感染它们。这种“融合复合体（fusion machinery）”也一种非常重要的靶标，这是因为它的结构是高度保守的，这就意味着同样的脆弱位点存在很多种HIV毒株中，作用于这些位点的抗体很可能是广谱中和抗体。不幸的是，一种被称作多聚糖（glycan）的糖分子保护物阻止很多抗体达到这个区域。

为了开发一种抵抗HIV的疫苗，科学家们需要详细地绘制这些多聚糖的结构图以便揭示出这种保护物中存在的小漏洞，这样抗体就可能穿过这些小漏洞，从而中和这种HIV。
然而，这种HIV Env三聚体极其不稳定，这是使得科学家们很难捕捉到好的结构图片。部分上由于这种限制，TSRI和其他机构之前的研究只能获得截断的Env三聚体或通过突变而变得稳定的Env三聚体高分辨率结构图。在此之前，也没有人能够观察到处于自然状态下的这种三聚体和它的多聚糖防御结构。

新技术让研究人员绘制出详细的结构图

在这项新的研究中，研究人员使用一种被称作低温电子显微镜（cryo-electron microscopy, cryo-EM）的三维成像技术，从而能够获得原子水平的高分辨率结构细节。TSRI维护着一套非常先进的cryo-EM系统，包括一台功能强大的Titan Krios低温电子显微镜和一部新款的数码相机Gatan K2 Summit。

研究人员制定出一种策略，从而能够在HIV的包膜环境中提取和纯化这种脆弱的Env三聚体，并将它装载到这种电子显微镜中进行成像。这种过程涉及到使用一种HIV广谱中和抗体PGT151，它是之前在TSRI教授Dennis Burton实验室发现的。

所获得的图片包括比以往任何时候见到过的都要更加完整的Env三聚体结构图。研究人员能够观察到这种完整的融合复合体、完整的多聚糖和一种被称作近膜端外部区（membrane proximal external region, MPER）的疫苗靶标。这些结构也证实这种Env三聚体是可塑性的，能够灵巧地改变它的形状。这种形状改变既是这种融合复合体的一种功能，同时也是一种躲避中和抗体反应的方法。

这些结构图也包括非常详细的PGT151敏感位点图，这也是迄今为止描述过的最为复杂和最为广泛的中和抗体能够识别的抗原决定簇位点。除了靶向Env表面上的几种多聚糖之外，PGT151也能够结合到一种融合肽上而让HIV不能感染宿主细胞。

此外，研究人员还利用这种更加完整的Env三聚体研究一种结合到MPER上的抗体。在过去，科学家们只是利用Env三聚体片段对这个区域的三维结构进行研究。

这些研究发现让研究人员更好地考虑一下越过这种多聚糖保护物所需的抗体特征。论文第一作者、Ward实验室研究生Jeong Hyun Lee说，“知道何时着手开发HIV疫苗是非常重要的。”

Ward说，这些新解析出的结构类似于已构建出的用于HIV疫苗开发的Env三聚体模拟结构，从而证实疫苗策略处于正确的轨道。如今，研究人员能够基于这项研究开发更加优越的候选疫苗。

Cryo-EM structure of a native, fully glycosylated, cleaved HIV-1 envelope trimer

The envelope glycoprotein trimer (Env) on the surface of HIV-1 recognizes CD4+ T cells and mediates viral entry. During this process, Env undergoes substantial conformational rearrangements, making it difficult to study in its native state. Soluble stabilized trimers have provided valuable insights into the Env structure, but they lack the hydrophobic membrane proximal external region (MPER, an important target of broadly neutralizing antibodies), the transmembrane domain, and the cytoplasmic tail. Here we present (i) a cryogenic electron microscopy (cryo-EM) structure of a clade B virus Env, which lacks only the cytoplasmic tail and is stabilized by the broadly neutralizing antibody PGT151, at a resolution of 4.2 angstroms and (ii) a reconstruction of this form of Env in complex with PGT151 and MPER-targeting antibody 10E8 at a resolution of 8.8 angstroms. These structures provide new insights into the wild-type Env structure.

(生物谷)