導讀
認知很可怕，如果你本來要去北方的小明家，卻被指路人告訴相反的方向，等你意識到時一定付出了慘痛的代價。同樣科學研究也在不斷糾錯，一項項基礎研究是確保發現正確方向的保障，本文講述HIV的組成晶格結構是動態的，以前一直被認為是完全靜止的。
病毒很可怕。它們像無形的軍隊一樣入侵我們的細胞，每種病毒都有自己的攻擊策略。當病毒摧毀人類和動物群落時，科學家爭先恐後地進行反擊，許多人利用電子顯微鏡「查看」病毒中的各個分子在做什麼。然而，即使是最先進的技術，也需要將樣品冷凍並固定以獲得觀測的最高解析度。
現在，猶他大學的物理學家開創了一種在室溫下實時成像獲得高解析度病毒樣顆粒的方法。在一項新研究中，該方法揭示了形成人類免疫缺陷病毒（HIV）主要結構成分的晶格是動態的。長期以來，人們一直認為由Gag和GagPol蛋白製成的晶格是完全靜態的，這為潛在的新療法開闢了道路。
當HIV顆粒從受感染的細胞中出芽時，病毒需要一段時間後才能變得具有感染力。蛋白酶，一種半分子形式嵌入GagPol蛋白的酶，必須在稱為二聚化的過程中與其他類似分子結合。這觸發了病毒成熟，導致了感染性顆粒。沒有人知道這半個蛋白酶分子是如何相互發現並二聚化的，但可能與病毒包膜內Gag和GagPol蛋白形成的晶格重排有關。Gag是主要的結構蛋白，已被證明足以組裝病毒樣顆粒。Gag分子形成晶格的六邊形結構，該結構與自身纏繞在一起，並散布著微小的間隙。新方法表明Gag蛋白晶格不是靜態的。
通過使用傳統上僅提供靜態信息的顯微鏡技術，該方法向前邁了一步。除了新的顯微鏡方法外，我們還使用數學模型和生化實驗來驗證晶格動力學。除病毒外，該方法的主要含義是您可以看到分子如何在細胞中移動。您可以以此來研究任何生物醫學結構。」
這種方法比傳統上只提供靜態信息的顯微鏡技術進步了一步。除了新的顯微鏡方法外，我們還使用了數學模型和生化實驗來驗證晶格動力學。除了病毒，這種方法的一個主要含義是你可以看到分子是如何在細胞中移動的。你可以用這個來研究任何生物醫學結構。」
Ipsita Saha，主要作者，美國物理與天文學系研究生助理
論文發表於2020年6月26日《生物物理雜誌》。
繪製納米機器
科學家們一開始並不是在尋找動態結構，他們只是想研究Gag蛋白的晶格。Saha領導了為期兩年的「hack」顯微鏡技術，以便能夠在室溫下研究病毒粒子，觀察它們在現實生活中的行為。這種病毒的規模很小，直徑約120納米，因此Saha使用幹涉光激活定位顯微鏡（iPALM）。
首先，Saha用一種叫做Dendra2的螢光蛋白標記Gag，並產生Gag-Dendra2蛋白的病毒樣顆粒。這些病毒樣顆粒與HIV顆粒相同，但僅由Gag-Dendra2蛋白晶格結構構成。Saha表明，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規則Gag蛋白的方式相同。螢光附著物使iPALM能夠以10納米的解析度成像粒子。科學家們發現，每一個固定化的病毒樣顆粒包含1400到2400個Gag-Dendra2蛋白，排列成六邊形。當他們使用iPALM數據重建晶格的延時圖像時，發現Gag-Dendra2的晶格並不是隨時間而靜止的。為了確保這一點，他們分別從數學和生化兩個方面進行了驗證。
首先，他們將蛋白質晶格分成統一的獨立片段。通過相關性分析，他們測試了每一段時間內（從10秒到100秒）每個片段是如何與其自身相關的。如果每個片段繼續與自身相關，則蛋白質是穩定的。如果它們失去了相關性，蛋白質就會擴散。他們發現，隨著時間的推移，這些蛋白質是非常動態的。
第二種驗證動態晶格的方法是生化的。在這項實驗中，他們創造了類似病毒的粒子，其晶格由80%的Gag野生型蛋白、10%的Gag用SNAP標記、10%的Gag用Halo標記。SNAP和Halo是一種蛋白質，它們可以結合一個連結器，使它們永遠結合在一起。這個想法是為了確定蛋白質晶格中的分子是否保持靜止，或者它們是否移動了位置。
Gag蛋白會隨機地自我組裝。「SNAP和Halo分子可能在晶格中的任何地方——有些可能彼此靠近，有些則遠離，」Saha說如果晶格發生變化，分子之間就有可能相互靠近。」
Saha將一種叫做Haxs8的分子引入病毒樣顆粒中。Haxs8是一種二聚體——當SNAP和Halo蛋白在彼此的結合半徑範圍內時，它們共價結合的分子。如果SNAP或Halo分子相鄰移動，它們將產生一種二聚物。她追蹤了這些二聚物的濃度。如果濃度發生變化，則表明新的分子對相互發現。如果濃度降低，說明蛋白質發生了斷裂。不管是哪種情況，這都表明運動已經發生了。他們發現，隨著時間的推移，二聚複合物的百分比增加；HALO和SNAP-Gag蛋白在晶格上移動，並且隨著時間的推移聚集在一起。
研究病毒的新工具
這是第一次研究表明，被包裹病毒的蛋白質晶格結構是動態的。這個新的工具對於更好地理解新病毒粒子從不成熟到具有危險傳染性的晶格中發生的變化非常重要。
「導致感染的分子機制是什麼？「它開闢了一條新的研究方向，」Saha說如果你能弄清楚這個過程，也許你可以做些什麼來阻止他們找到對方，比如一種能阻止病毒在其傳播路徑上傳播的藥物。」
saveezsaffarian，美國物理與天文學系教授，是這篇論文的資深作者。
本文來源：
Saha, I & Saffarian, S (2020) Dynamics of the HIV Gag Lattice Detected by Localization Correlation Analysis and Time-Lapse iPALM. Biophysical Journal. doi.org/10.1016/j.bpj.2020.06.023.
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