圖片來源：Dave Meikle/Saffarian Lab

 

近日，一項刊登在國際雜志Biophysical Journal上題為“Dynamics of the HIV Gag Lattice Detected by Localization Correlation Analysis and Time-Lapse iPALM”的研究報告中，來自猶他大學等機構的科學家們通過研究開發了一種新方法，其能在室溫下對病毒樣顆粒進行實時高分辨率成像，研究者表示，這種方法揭示了，形成HIV主要結構組分的晶格（lattice）處于動態變化中，由Gag和GagPol蛋白形成的擴散晶格（長期以來一直被認為是完全處于靜態的）或能幫助研究人員開發新型HIV療法。

 

當HIV顆粒從受感染的細胞中萌芽時，在病毒具有感染性之前其會經歷一段滯后過程，以一半分子形式嵌入到GagPol蛋白中的酶類—蛋白酶就會在二聚化的過程中與其它分子相結合，從而就會觸發病毒的成熟過程，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行而聚化過程的，但其或許與位于病毒包膜內的Gag和GagPol蛋白形成的晶格的重新排列有關，Gag是一種主要的結構蛋白，其足以組裝病毒樣顆粒，Gag分子能形成一種晶格六邊形結構，并與自身交織在一起，且其中間會夾雜著微小的間隙，而研究者所開發的新方法表明，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上只提供靜態信息的顯微鏡進行研究，但除了新的現為境外，研究者還是用了數學模型和生化實驗來證實晶格的動態學變化過程，除了病毒外，這種新方法的一個主要應用就是能讓我們看到分子在細胞中是如何移動的，這樣就能幫助研究者研究任何生物醫學結構。起初，科學家們并不是在尋找動態結構，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來在室溫下研究病毒顆粒，從而實時觀察病毒的行為，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）進行了相關研究。

 

首先，研究者Saha利用名為Dendra2的熒光蛋白來標記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蛋白晶格結構制成，研究者表示，所產生的Gag-Dendra2蛋白組裝病毒樣顆粒的方式與病毒樣顆粒組成常規Gag蛋白的方式相同，熒光附著技術能讓iPALM以10納米的分辨力對顆粒進行成像，研究者發現，每個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六邊形的晶格，當研究者利用iPALM數據來重建晶格的延時圖像時，Gag-Dendra2的晶格似乎并不會隨著時間的推移而靜止，為了確定這一結果，研究人員利用了數學和生化兩種方法進行驗證。

 

 

 

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

 

首先，他們將蛋白晶格劃分為統一的獨立片段，利用關聯分析，研究者檢測了每個片段如何隨著時間的推移而與自身相關聯，如果每個片段能持續與自身相關聯，則蛋白質處于靜止狀態，如果其失去了相關性，則說明蛋白質已經發生了擴散，研究者發現，隨著時間的推移，蛋白質處于動態變化之中。其次，研究者使用生化方法驗證了動態晶格，在實驗中，他們開發出了病毒樣的顆粒，其晶格由80%的Gag野生蛋白、10%的SNAP標記的Gag蛋白以及10%Halo標記的Gag蛋白組成，SNAP和Halo是能夠結合在一起形成連接體的蛋白質，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遷移位置。

 

研究者Saha說道，Gag-蛋白質會隨機地自我組裝，SNAP和Halo可能會處于晶格中的任何地方，有些可能會彼此靠近，有些則會遠離，如果晶格結構發生變化的話，分子就可能會相互靠近；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SNAP和Halo蛋白在彼此的結合半徑內時，它們會共價結合，如果其二者彼此相鄰移動時就會產生二聚體復合物，隨后研究者開始追蹤隨著時間變化這些二聚體復合物的濃度是否會發生變化，如果濃度發生變化，就說明新的分子發現了對方，如果濃度降低了則表明蛋白質破裂了，無論哪種情況，都表明運動已經發生了，研究者發現，隨著時間延續，二聚體的百分比會增加，而Halo和SNAP Gag蛋白會在整個晶格中移動，并隨著時間的推移會走到一起。

 

這項研究中，研究人員通過研究首次揭示了，包膜病毒的蛋白晶格結構是處于動態變化的，文章中研究人員開發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感染階段時晶格內部所發生的變化；本文研究結果或許能幫助研究人員闡明HIV誘發感染的分子機制，如果研究者能弄清楚這一過程的話，或許就能開發出相應的措施或藥物來阻斷HIV的進展。（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