HIV研究迎来重要进展！《科学》揭示衣壳的重要作用
▎药明康德内容团队编辑
《科学》杂志近日发表了一篇关于HIV研究的重要论文 。 美国弗吉尼亚大学（UniversityofVirginia）和犹他大学（UniversityofUtah）的科学家们合作 ， 构建了一个无细胞的体系 ， 首次让HIV在体外依次完成逆转录和整合 。 通过这个无细胞的体系 ， 科学家们得以更好地观察对于HIV感染而言至关重要的两个步骤 。 他们也发现病毒的衣壳（capsid）在这两个步骤中扮演的全新角色 。
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作为一种逆转录病毒 ， HIV能将自己的病毒RNA基因组逆转录为双链的DNA ， 并整合入所感染细胞的基因组内 。 过去几十年 ， 科学家们通过一系列结构、生化、以及分子病毒学的分析 ， 已经阐明了参与这些步骤的多个酶反应 。 但由于这些病毒颗粒深藏于细胞质与细胞核中 ， 很难对其进行机制上的研究 。 这也是为何科学家们想要开发一个“无细胞”的体系 。
先前 ， 也有一些体外实验可以研究逆转录 ， 或是整合的步骤 ， 但这些实验一次只能观察一个步骤 。 而在本研究中 ， 科学家们设计和优化的体系可以连续观察这两个步骤 。
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▲连续观察HIV-1基因组逆转录和整合的体外无细胞体系（图片来源：参考资料[1]）
具体来看 ， 他们纯化了HIV-1病毒体 ， 使用能穿孔的多肽 ， 在病毒包膜上“打”了一些小洞 。 随后 ， 他们添加了一些dNTPs ， 促使逆转录的发生 。 实验中 ， 科学家们成功观察到了双链DNA的积累 。 随后 ， 科学家们往实验体系中添加了细胞提取物 ， 重现了病毒DNA整合入外源DNA的过程 。 测序结果确认病毒DNA整合的方式与预期一致 。
【HIV研究迎来重要进展！《科学》揭示衣壳的重要作用】有意思的是 ， 在确认哪些要素对于病毒的逆转录和整合起到关键作用的时候 ， 一个意想不到的结果出现在科学家们面前——HIV的衣壳 。 从结构上看 ， 衣壳是包裹在病毒遗传物质外的一层保护 。 但这篇论文发现 ， 衣壳在病毒感染的过程中 ， 起到了更为主动的作用 。
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▲HIV的衣壳（黄色和紫色所示）包裹着病毒的RNA（蓝色所示）（图片来源：参考资料[2]；Credit：JanetIwasa）
通过遗传学或生物化学的方法 ， 研究人员们发现 ， 如果衣壳变得不稳定 ， 病毒就无法通过逆转录来复制自己的遗传物质 。 这也是科学家们首次直接表明 ， 衣壳是HIV感染的重要元件 。
俗话说眼见为实 。 为了看清衣壳如何参与到了HIV感染的过程 ， 研究人员们使用冷冻电镜技术 ， 看到在逆转录的过程中 ， 衣壳大部分都保持完整 。 在逆转录发生的8-10个小时后 ， 研究人员们依旧可以观察到大型的完整衣壳结构 ， 且病毒的核酸从衣壳的网状晶格结构中排出 。 这一时间段恰好是逆转录产物积聚到峰值 ， 发生整合的时间 。
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▲冷冻电镜和分子建模技术让我们有机会以前所未有的细节看清病毒（图片来源：参考资料[2]；Credit：OwenPornillos,BarbieGanser-Pornillos）
“这和教科书上写的不一样 ， ”本研究的通讯作者之一WesleyI.Sundquist教授说道 ， “我们的数据显示病毒的衣壳在支持有效的逆转录方面 ， 扮演了主动且不可或缺的角色 。 ”
研究人员们指出 ， 这项研究在无细胞的体系中重塑了HIV的逆转录和整合 ， 并表明病毒的衣壳在其中起到了重要的作用 。 与先前的理解不同 ， 它不仅能保护病毒基因组 ， 让病毒跨越细胞质 ， 进入细胞核 ， 接近整合位点 ， 它还是逆转录过程的关键 。
对于针对衣壳蛋白的在研HIV药物来说 ， 这项研究表明它们可能起效 。 而这个无细胞体系的建立 ， 也有助于未来对HIV感染的关键步骤进行更详尽的研究 ， 找到阻止HIV的全新方法 。
参考资料：
[1]DevinE.Christensenetal,.(2020),ReconstitutionandvisualizationofHIV-1capsid-dependentreplicationandintegrationinvitro,Science,DOI:10.1126/science.abc8420
[2]HIVupclose:UnprecedentedviewofvirusrevealsessentialstepsforcausingAIDS,RetrievedOctober8,2020,fromhttps://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-10/uouh-huc100220.php
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