索爾克研究所的科學家們已經(jīng)解決了一種關鍵機制的原子結構問題，這種機制使艾滋病病毒能夠融入人體宿主DNA并在體內復制，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”的機制，發(fā)表在2017年1月6日的《科學》雜志上，為新的艾滋病藥物的開發(fā)提供了結構性線索。

該研究的高級作者、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:“我們對能夠理解和對抗病毒耐藥性機制感到特別興奮。”“艾滋病毒是一種聰明的病毒，它甚至學會了躲避市場上一些最好的藥物。了解病毒逃逸機制和開發(fā)更廣泛適用的藥物將是未來的一個主要方向。

目前，一類名為整合酶鏈轉移抑制劑(integrase strand transfer inhibitors，簡稱inasome)的藥物以intasome為靶點，已經(jīng)被美國和歐洲批準用于治療艾滋病。盡管是現(xiàn)有的一些最好的藥物，但通過對一種類似的逆轉錄病毒(稱為泡沫病毒原型或PFV)的結構的推斷，科學家們對注入型脊髓灰質炎病毒的確切作用機制以及病毒如何產生耐藥性只有有限的了解。這是因為眾所周知，在原子水平上研究艾滋病毒intasome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制的第一個本地藍圖。”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)研究人員可能也會這么做，”他補充道。

作為一種逆轉錄病毒，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，科學家確定了一小部分整合酶的結構。從那時起，生物學家已經(jīng)解決了HIV整合酶的其他幾個片段，以及來自其他逆轉錄病毒的內切體。但是，使用傳統(tǒng)技術仍然難以解決艾滋病毒intasome的整個結構。

在這項新的研究中，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，這種技術使得科學家們能夠對大的、復雜的和動態(tài)的分子進行成像。研究小組將一種特殊的蛋白質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，同時加入大量的鹽以防止其凝結。這些是低溫電子顯微鏡樣本的極端條件，但對于HIV病毒感染的病例來說，這些條件是必要的。然后，在該領域的新技術進步的基礎上，科學家們啟動了低溫電子顯微鏡，向他們的樣本噴灑了比平時更多的電子。

所有逆轉錄酶內切體都有執(zhí)行整合功能的核心結構元件。當他們比較HIV和PFV的酶核時，發(fā)現(xiàn)了一些差異。“盡管這些變異很小，但它們可能對藥物開發(fā)和理解耐藥性機制具有重大意義，”該研究的第一作者達里奧·帕索斯(Dario Passos)說，他是呂姆基斯實驗室的高級研究員。

令該小組驚訝的是，HIV的內切體也比其他逆轉錄病毒更加復雜?？茖W家已經(jīng)知道它們有一個由四部分組成的核心，但是新的研究發(fā)現(xiàn)HIV內切體有更多的單位，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的復雜性暗示了大自然是如何從簡單的逆轉錄酶病毒進化而來的。艾滋病病毒可以執(zhí)行其親屬無法完成的功能，比如通過主動運輸進入細胞核，而不必等待細胞分裂。他補充說:“艾滋病毒就像豪華轎車，而其他逆轉錄病毒則是經(jīng)濟模式——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。”

根據(jù)樣本中存在的不同結構，該團隊認為HIV intasome可以通過多種途徑組裝。Lyumkis說:“在這一點上，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，即某些大分子機器采取不同的路線來組裝最終產品。”(根據(jù)他的團隊的另一項低溫電子顯微鏡研究，另一種名為核糖體的大型分子機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構，并在結合藥物的背景下進行研究。為此，該小組還在努力將其結構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鍵，為藥物的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)提供關鍵的見解。

“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。“我們必須對這些復雜的分子結構做同樣的事情，以便更好地理解和定位病毒，”Passos補充說。