NSMB：体外重构的HIV病毒衣壳螺旋体与宿主蛋白CypA复合体的结构解析

来源：BioArt

人类免疫缺陷病毒衣壳（HIV capsid）在HIV复制中起着重要作用。在HIV病毒侵染宿主细胞过程中，很多宿主细胞因子（Trim5α，MxB，CypA等）与衣壳直接相互作用，调控HIV病毒在宿主细胞中的复制和繁殖【1】。这些细胞因子与衣壳某一个单独蛋白之间的相互作用并不明显，其主要识别衣壳蛋白排列的特定结构模式（pattern）【2】。然而，这些宿主蛋白如何适应HIV病毒的多种形态从而影响HIV病毒复制的分子机制并不清楚。

天然HIV 衣壳结构的相关研究工作一直具有挑战性：与很多高度对称的病毒衣壳不同，HIV病毒衣壳本身并不具有高度对称性，其单一组分衣壳蛋白（CA）由于本身柔性形成无数种形状和大小迥异（如纺锤状、胶囊状等）的病毒颗粒；传统上适用于解析其他高对称病毒结构的冷冻电镜解析方法无法直接应用于天然HIV衣壳。体外重建的HIV类病毒颗粒以螺旋体形式存在，使得利用螺旋重建（helical reconstruction）解析HIV衣壳蛋白结构成为可能；而且这些螺旋体保留了天然HIV衣壳的主要结构特性，为HIV衣壳相关研究提供了重要工具【3】。与天然HIV衣壳形态多样性相符的是，这些螺旋体类病毒衣壳存在多种螺旋对称性，为冷冻电镜结构解析带来了很大的挑战。在同一样品中，同时确定出多种不同螺旋体的螺旋对称性是冷冻电镜螺旋重建领域内的一大难题，也是解析这类病毒衣壳结构的关键步骤。

近日，英国牛津大学Peijun Zhang团队（第一作者为倪涛博士）在Nature Structural & Molecular Biology 杂志上发表文章Intrinsic curvature of the HIV-1 CA hexamer underlies capsid topology and interaction with cyclophilin A。该研究组在直接电子探测器运用到冷冻电镜之前，基于传统胶片用冷冻电镜解析了8 埃分辨率的HIV 衣壳螺旋体结构【4】，并初步探索了细胞因子CypA与衣壳螺旋体之间的相互作用【5】。在本项工作中，研究者通过冷冻电镜螺旋重建和局部重建分类（Localized reconstruction and focused classification）的方法，解析了体外重构的HIV病毒衣壳螺旋体与宿主细胞因子CypA复合体的结构。

在此项研究中，研究者首先针对该类样品的数据采集，开发了一套全新的半自动数据采集方法，提高了数据采集效率；然后在数据处理阶段，研究者优化了整个数据处理流程，在傅里叶空间对单根衣壳/CypA复合体螺旋对称性进行确定和分类（图1）， 并进一步使用螺旋重建解析了多种不同螺旋对称性的HIV 衣壳/CypA 复合体。此外，研究者还发现CypA与衣壳螺旋体的相互作用位点并不遵循相同的螺旋对称性，并最终在螺旋重建的基础上利用局部重建和分类的方法得到HIV衣壳/ CypA复合体结构。

图1 体外重建的HIV病毒衣壳螺旋体具有不同的直径及螺旋对称性

研究发现，HIV 衣壳蛋白形成的六聚体（CA hexamer）本身具有内在曲度，这种内在曲度是决定衣壳曲度的主要因素；其次，宿主细胞因子CypA可以同时结合三个衣壳蛋白。这三个衣壳蛋白可以来自相邻的两个六聚体，也可以在某些条件下来自相邻的三个六聚体（图2）。HIV衣壳/ CypA复合体结构揭示了CypA与HIV衣壳相互作用的位点，解释了CypA增强HIV衣壳稳定性的分子机制，另一方面，这种结合方式阻碍了其他细胞因子与HIV衣壳的相互作用，阐明了CypA之所以广泛影响其他细胞因子与衣壳相互作用的原因。

图2 宿主蛋白CypA同时与三个HIV 衣壳蛋白相互作用，从而稳定HIV 衣壳。

此外，研究人员还分析了CypA与具有不同螺旋对称性的HIV衣壳螺旋体结合方式的差异，发现CypA只结合HIV 衣壳表面特定位置和方向（图3），证明衣壳不同位置局部几何结构的变化决定了细胞宿主因子与其相互作用的方式。

图3 宿主细胞因子CypA与HIV衣壳螺旋体复合物结构；不同颜色CypA代表CypA与衣壳结合不同方式

综上，在本项研究中，研究者利用其优化的数据采集流程和数据处理方法，揭示了HIV衣壳蛋白六聚体本身内在曲度是决定衣壳曲度的主要因素，阐明了HIV 衣壳形态多样性的原因；解析了细胞因子CypA识别HIV衣壳的分子机制，并在分子层面上揭示了CypA与HIV衣壳相互作用的模式识别方式。这些发现为针对HIV衣壳的药物设计提供了重要研究思路和方法【6】。