索尔克的科学家们破解了HIV机器的结构

索尔克研究所的科学家们已经解决了一种关键机制的原子结构问题，这种机制使艾滋病病毒能够融入人体宿主DNA并在体内复制，这是研究人员几十年来一直未能解决的问题。这些发现描述了这种被称为“intasome”的机制，发表在2017年1月6日的《科学》杂志上，为新的艾滋病药物的开发提供了结构性线索。

该研究的高级作者、索尔克研究所的赫尔姆斯利-索尔克研究员德米特里·吕姆基斯说:“我们对能够理解和对抗病毒耐药性机制感到特别兴奋。”“艾滋病毒是一种聪明的病毒，它甚至学会了躲避市场上一些最好的药物。了解病毒逃逸机制和开发更广泛适用的药物将是未来的一个主要方向。

目前，一类名为整合酶链转移抑制剂(integrase strand transfer inhibitors，简称inasome)的药物以intasome为靶点，已经被美国和欧洲批准用于治疗艾滋病。尽管是现有的一些最好的药物，但通过对一种类似的逆转录病毒(称为泡沫病毒原型或PFV)的结构的推断，科学家们对注入型脊髓灰质炎病毒的确切作用机制以及病毒如何产生耐药性只有有限的了解。这是因为众所周知，在原子水平上研究艾滋病毒intasome本身是非常困难的。

Lyumkis说:“现在我们有了在艾滋病毒的背景下研究灌输机制的第一个本地蓝图。”他和他的同事们已经在利用这一发现，试图提高人工血管阻断病毒的能力——“行业研究人员可能也会这么做，”他补充道。

作为一种逆转录病毒，艾滋病毒使用intasome将其RNA基因组的DNA副本插入宿主的DNA中，intasome使用一种称为整合酶的酶切和粘贴病毒DNA。1994年，科学家确定了一小部分整合酶的结构。从那时起，生物学家已经解决了HIV整合酶的其他几个片段，以及来自其他逆转录病毒的内切体。但是，使用传统技术仍然难以解决艾滋病毒intasome的整个结构。

在这项新的研究中，Lyumkis和他的同事们使用了一种叫做单粒子低温电子显微镜(cryo-EM)的尖端成像技术，这种技术使得科学家们能够对大的、复杂的和动态的分子进行成像。研究小组将一种特殊的蛋白质附着在一种名为甘油的类似糖浆的液体中，以提高intasome在液体中溶解的能力，同时加入大量的盐以防止其凝结。这些是低温电子显微镜样本的极端条件，但对于HIV病毒感染的病例来说，这些条件是必要的。然后，在该领域的新技术进步的基础上，科学家们启动了低温电子显微镜，向他们的样本喷洒了比平时更多的电子。

所有逆转录酶内切体都有执行整合功能的核心结构元件。当他们比较HIV和PFV的酶核时，发现了一些差异。“尽管这些变异很小，但它们可能对药物开发和理解耐药性机制具有重大意义，”该研究的第一作者达里奥·帕索斯(Dario Passos)说，他是吕姆基斯实验室的高级研究员。

令该小组惊讶的是，HIV的内切体也比其他逆转录病毒更加复杂。科学家已经知道它们有一个由四部分组成的核心，但是新的研究发现HIV内切体有更多的单位，他们称之为“高阶”物种。有证据表明，更复杂的intasome有助于艾滋病毒在宿主基因组中整合自身。

Lyumkis说，艾滋病病毒intasome的复杂性暗示了大自然是如何从简单的逆转录酶病毒进化而来的。艾滋病病毒可以执行其亲属无法完成的功能，比如通过主动运输进入细胞核，而不必等待细胞分裂。他补充说:“艾滋病毒就像豪华轿车，而其他逆转录病毒则是经济模式——它们都是轿车，但艾滋病毒intasome包含了完成不同工作的重要升级。”

根据样本中存在的不同结构，该团队认为HIV intasome可以通过多种途径组装。Lyumkis说:“在这一点上，这只是一种推测，但这是一种有趣的可能性，它将建立在越来越多的证据之上，即某些大分子机器采取不同的路线来组装最终产品。”(根据他的团队的另一项低温电子显微镜研究，另一种名为核糖体的大型分子机器也以不同的方式组装。)

目前的研究集中在intasome在宿主DNA上组装后，但未来的工作将研究其在宿主基因组上着陆前的结构，并在结合药物的背景下进行研究。为此，该小组还在努力将其结构的分辨率从新研究中的~4埃提高到~2埃，这将使他们能够看到水分子中的化学键，为药物的发现和开发提供关键的见解。

“如果你真的想了解汽车是如何工作的，以改善其性能，就不能只看整个引擎。”你必须把它拆开，深入挖掘，才能真正彻底地理解它。“我们必须对这些复杂的分子结构做同样的事情，以便更好地理解和定位病毒，”Passos补充说。