2020年7月26日訊/
生物谷BIOON/---病毒是可怕的。它們像隱形的軍隊一樣侵入我們的細胞，而且每一種病毒都有自己的攻擊策略。當病毒摧毀人類和動物群體時，科學家們爭相反擊。許多人使用電子顯微鏡，這種工具可以「看到」病毒中的單個分子在做什麼。然而，即使是最複雜的技術，也需要將樣本冷凍和固定，以獲得最高的解析度。
如今，在一項新的研究中，來自美國猶他大學的研究人員開創了一種在室溫下對病毒樣顆粒進行實時成像的方法，其解析度令人印象深刻。這種方法揭示了構成人類免疫缺陷病毒（HIV）主要結構成分的蛋白晶格是動態變化的。由Gag和GagPol蛋白組成的擴散晶格（diffusing lattice），長期以來被認為是完全靜態的，因此這一新的發現有助開發潛在的新療法。相關研究結果近期發表在Biophysical Journal期刊上，論文標題為「Dynamics of the HIV Gag Lattice Detected by Localization Correlation Analysis and Time-Lapse iPALM」。
圖片來自Biophysical Journal, 2020, doi:10.1016/j.bpj.2020.06.023。
當HIV病毒顆粒從受感染的細胞中出芽時，這種病毒在成為感染性病毒之前會經歷一段滯後時間。作為一種以半分子形式嵌入GagPol蛋白中的酶，蛋白酶必須在稱為二聚化的過程中與其他類似分子結合。這就觸發了病毒成熟，從而導致感染性顆粒產生。沒有人知道這些半蛋白酶分子是如何找到彼此並進行二聚化的，不過這可能與Gag和GagPol蛋白形成的晶格重新排列有關，畢竟Gag和GagPol蛋白就在病毒包膜的內部。Gag是一種主要的結構蛋白，已被證明足以組裝病毒樣顆粒。Gag分子形成了一種六邊形晶格結構，這種晶格結構與自身交織在一起，並在中間夾雜著微小的空隙。這種新方法表明，Gag蛋白晶格並非一成不變。
論文第一作者、猶他大學物理與天文學系研究生科研助理
ipsita Saha說，「相比於使用傳統上只能提供靜態信息的顯微鏡，這種方法領先了一步。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這些晶格動態變化。除了病毒之外，這種方法的一個主要意義在於你能夠觀察分子如何在細胞中移動。你可以利用它研究任何生物醫學結構。」
繪製納米機器結構這些研究人員一開始並不是為了尋找動態結構---他們只是想研究Gag蛋白晶格。在為期兩年的研究工作中，Saha「破解了」顯微鏡技術，以便能夠在室溫下研究病毒顆粒並觀察它們在現實生活中的行為。HIV病毒的尺寸比較小--直徑約120
納米，因此Saha使用了幹涉光激活定位顯微鏡（interferometric photoactivated localization microscopy, iPALM）。
Saha先是用一種名為Dendra2的螢光蛋白標記了Gag，並將產生的Gag-Dendra2蛋白構建出病毒樣顆粒。這些病毒樣顆粒與HIV顆粒相同，但僅由Gag-Dendra2蛋白晶格結構製成。Saha發現所產生的Gag-Dendra2蛋白組裝成病毒樣顆粒的方式與由普通Gag蛋白組裝成病毒樣顆粒的方式相同。這種螢光標記使得iPALM能夠以10
納米的解析度對病毒樣顆粒進行成像。這些研究人員發現，每個固定化的病毒樣顆粒都整合了1400～2400個Gag-Dendra2蛋白，這些蛋白排列成一個六邊形的晶格。當他們使用iPALM數據重建這種晶格的延時圖像時，Gag-Dendra2晶格似乎並不隨著時間的推移而保持靜止。為了確保這一點，他們用兩種方式獨立驗證：數學和生化。
首先，他們將這種蛋白晶格分割成均勻的獨立片段。通過相關性分析，他們測試了每個片段在10到100秒的時間內如何與自身關聯。如果每個片段繼續與自身相關，那麼蛋白就是靜止的。如果它們失去了相關性，那麼這就說明蛋白已經擴散了。他們發現，隨著時間的推移，蛋白是非常動態的。
他們驗證這種動態晶格的第二種方法是生化方法。在這個實驗中，他們構建出了病毒樣顆粒，它的晶格由80%的Gag野生型蛋白、10%的由SNAP標記的Gag和10%的由Halo標記的Gag組成。蛋白SNAP和Halo可以結合將它們永遠結合在一起的接頭序列（linker）。這個想法是為了確定這種蛋白晶格中的分子是否保持靜止，或者它們的位置是否發生了遷移。
Saha說，「Gag蛋白會隨機地自我組裝。SNAP和Halo分子可能出現在這種蛋白晶格內的任何地方---有些可能彼此靠近，有些會離得很遠。如果這種蛋白晶格發生變化，那麼這些分子就有可能相互靠近。」
Saha將一種名為Haxs8的分子引入到這些病毒樣顆粒中。當SNAP和Halo蛋白在彼此的結合半徑內時，Haxs8就會將它們共價結合在一起。如果SNAP或Halo分子靠近彼此移動，它們會產生二聚化複合物。她跟蹤這些二聚化複合物的濃度隨時間的變化。如果濃度發生變化，這就說明有新的分子對找到了彼此。如果濃度降低，這就表明這些蛋白分裂了。無論哪種情況，都表明運動已經發生了。他們發現，隨著時間的推移，這些二聚化複合物的百分比增加了；HALO和SNAP Gag蛋白在整個晶格中移動，並隨著時間的推移聚集在一起。
一種研究病毒的新工具這是第一個表明包膜病毒的蛋白晶格結構是動態的研究。這種新工具對於更好地理解新病毒顆粒從不成熟到具有危險傳染性時蛋白晶格內發生的變化將非常重要。
Saha說，「導致感染的分子機制是什麼？它開闢了一條新的研究路線。如果你能弄清楚這個過程，也許你可以做一些事情來防止它們找到彼此，比如一種可以阻止病毒傳播的藥物。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：1.Ipsita Saha et al. Dynamics of the HIV Gag Lattice Detected by Localization Correlation Analysis and Time-Lapse iPALM. Biophysical Journal, 2020, doi:10.1016/j.bpj.2020.06.023.