索爾克研究所的科學(xué)家們已經(jīng)解決了一種關(guān)鍵機(jī)制的原子結(jié)構(gòu)問題，這種機(jī)制使艾滋病病毒能夠融入人體宿主DNA并在體內(nèi)復(fù)制，這是研究人員幾十年來一直未能解決的問題。這些發(fā)現(xiàn)描述了這種被稱為“intasome”的機(jī)制，發(fā)表在2017年1月6日的《科學(xué)》雜志上，為新的艾滋病藥物的開發(fā)提供了結(jié)構(gòu)性線索。

該研究的高級(jí)作者、索爾克研究所的赫爾姆斯利-索爾克研究員德米特里·呂姆基斯說:“我們對(duì)能夠理解和對(duì)抗病毒耐藥性機(jī)制感到特別興奮。”“艾滋病毒是一種聰明的病毒，它甚至學(xué)會(huì)了躲避市場上一些最好的藥物。了解病毒逃逸機(jī)制和開發(fā)更廣泛適用的藥物將是未來的一個(gè)主要方向。

目前，一類名為整合酶鏈轉(zhuǎn)移抑制劑(integrase strand transfer inhibitors，簡稱inasome)的藥物以intasome為靶點(diǎn)，已經(jīng)被美國和歐洲批準(zhǔn)用于治療艾滋病。盡管是現(xiàn)有的一些最好的藥物，但通過對(duì)一種類似的逆轉(zhuǎn)錄病毒(稱為泡沫病毒原型或PFV)的結(jié)構(gòu)的推斷，科學(xué)家們對(duì)注入型脊髓灰質(zhì)炎病毒的確切作用機(jī)制以及病毒如何產(chǎn)生耐藥性只有有限的了解。這是因?yàn)楸娝苤谠铀缴涎芯堪滩《緄ntasome本身是非常困難的。

Lyumkis說:“現(xiàn)在我們有了在艾滋病毒的背景下研究灌輸機(jī)制的第一個(gè)本地藍(lán)圖。”他和他的同事們已經(jīng)在利用這一發(fā)現(xiàn)，試圖提高人工血管阻斷病毒的能力——“行業(yè)研究人員可能也會(huì)這么做，”他補(bǔ)充道。

作為一種逆轉(zhuǎn)錄病毒，艾滋病毒使用intasome將其RNA基因組的DNA副本插入宿主的DNA中，intasome使用一種稱為整合酶的酶切和粘貼病毒DNA。1994年，科學(xué)家確定了一小部分整合酶的結(jié)構(gòu)。從那時(shí)起，生物學(xué)家已經(jīng)解決了HIV整合酶的其他幾個(gè)片段，以及來自其他逆轉(zhuǎn)錄病毒的內(nèi)切體。但是，使用傳統(tǒng)技術(shù)仍然難以解決艾滋病毒intasome的整個(gè)結(jié)構(gòu)。

在這項(xiàng)新的研究中，Lyumkis和他的同事們使用了一種叫做單粒子低溫電子顯微鏡(cryo-EM)的尖端成像技術(shù)，這種技術(shù)使得科學(xué)家們能夠?qū)Υ蟮?、?fù)雜的和動(dòng)態(tài)的分子進(jìn)行成像。研究小組將一種特殊的蛋白質(zhì)附著在一種名為甘油的類似糖漿的液體中，以提高intasome在液體中溶解的能力，同時(shí)加入大量的鹽以防止其凝結(jié)。這些是低溫電子顯微鏡樣本的極端條件，但對(duì)于HIV病毒感染的病例來說，這些條件是必要的。然后，在該領(lǐng)域的新技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們啟動(dòng)了低溫電子顯微鏡，向他們的樣本噴灑了比平時(shí)更多的電子。

所有逆轉(zhuǎn)錄酶內(nèi)切體都有執(zhí)行整合功能的核心結(jié)構(gòu)元件。當(dāng)他們比較HIV和PFV的酶核時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些差異。“盡管這些變異很小，但它們可能對(duì)藥物開發(fā)和理解耐藥性機(jī)制具有重大意義，”該研究的第一作者達(dá)里奧·帕索斯(Dario Passos)說，他是呂姆基斯實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員。

令該小組驚訝的是，HIV的內(nèi)切體也比其他逆轉(zhuǎn)錄病毒更加復(fù)雜?？茖W(xué)家已經(jīng)知道它們有一個(gè)由四部分組成的核心，但是新的研究發(fā)現(xiàn)HIV內(nèi)切體有更多的單位，他們稱之為“高階”物種。有證據(jù)表明，更復(fù)雜的intasome有助于艾滋病毒在宿主基因組中整合自身。

Lyumkis說，艾滋病病毒intasome的復(fù)雜性暗示了大自然是如何從簡單的逆轉(zhuǎn)錄酶病毒進(jìn)化而來的。艾滋病病毒可以執(zhí)行其親屬無法完成的功能，比如通過主動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入細(xì)胞核，而不必等待細(xì)胞分裂。他補(bǔ)充說:“艾滋病毒就像豪華轎車，而其他逆轉(zhuǎn)錄病毒則是經(jīng)濟(jì)模式——它們都是轎車，但艾滋病毒intasome包含了完成不同工作的重要升級(jí)。”

根據(jù)樣本中存在的不同結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為HIV intasome可以通過多種途徑組裝。Lyumkis說:“在這一點(diǎn)上，這只是一種推測，但這是一種有趣的可能性，它將建立在越來越多的證據(jù)之上，即某些大分子機(jī)器采取不同的路線來組裝最終產(chǎn)品。”(根據(jù)他的團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)低溫電子顯微鏡研究，另一種名為核糖體的大型分子機(jī)器也以不同的方式組裝。)

目前的研究集中在intasome在宿主DNA上組裝后，但未來的工作將研究其在宿主基因組上著陸前的結(jié)構(gòu)，并在結(jié)合藥物的背景下進(jìn)行研究。為此，該小組還在努力將其結(jié)構(gòu)的分辨率從新研究中的~4埃提高到~2埃，這將使他們能夠看到水分子中的化學(xué)鍵，為藥物的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)提供關(guān)鍵的見解。

“如果你真的想了解汽車是如何工作的，以改善其性能，就不能只看整個(gè)引擎。”你必須把它拆開，深入挖掘，才能真正徹底地理解它。“我們必須對(duì)這些復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)做同樣的事情，以便更好地理解和定位病毒，”Passos補(bǔ)充說。