魏国超教授:HIV衣壳与宿主互作机制的探索

学术   2025-01-17 18:06   北京  

编者按    

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,很多宿主细胞因子与衣壳直接相互作用,调控HIV病毒在宿主细胞中的复制。在近期举行的“中国免疫学会感染免疫分会2024年学术年会”暨“第三届感染性疾病与免疫学术会议”上,北京大学基础医学院研究员、助理教授魏国超阐述了HIV衣壳的结构、宿主因子与衣壳的相互作用,提出了新的宿主因子SEC24C以及HIV衣壳与宿主因子新型结合模式,并阐明了HIV衣壳抑制剂来那帕韦(Lenacapavir)抑制HIV病毒复制的作用机制等。


HIV衣壳


HIV是一种逆转录病毒,其RNA基因组被封装在一个圆锥形的衣壳内。在感染过程中,HIV以Gag多蛋白的未成熟病毒粒子组装并出芽,经历蛋白水解和构象变化的过程,由未成熟的球形转变为成熟的圆锥形衣壳。在HIV-1复制的早期阶段,衣壳扮演着多种重要的角色,包括保护基因组免受细胞先天性免疫反应的影响,促进逆转录,以及调节细胞内转运和进入细胞核。其中许多功能受到衣壳与宿主细胞因子和小分子相互作用的影响。人类免疫缺陷病毒1型(HIV-1)衣壳蛋白是近年来新发现的抗HIV-1药物靶标之一,其可以参与病毒复制周期中的多个阶段。


关于HIV细胞内脱衣壳位置与时间,有研究使用Cryo-ET技术在细胞核孔及核内观察到完整衣壳,表明脱衣壳可能发生在细胞核内[1]。另有研究显示,HIV脱衣壳过程发生在细胞核内整合位置附近[2];HIV在细胞核内脱衣壳约30分钟完成[3]


衣壳结构方面,HIV-1的衣壳蛋白(CA)具有2个结构不同的结构域,一个是N端结构域(NA-NTD),另一个是C端结构域(CA-CTD),由约5个柔性的连接子残基连接。其中,NA-NTD由7个α螺旋(H1~H7)组成,而CA-CTD由4个α螺旋(H8~H11)和一个短310螺旋组成。CA的结构揭示了以六聚体和五聚体形式存在的CA原聚体之间的相互作用。成熟CA含有约250个六聚体和12个五聚体并由其组成“富勒烯”型圆锥形结构。

图1. HIV衣壳结构


CA参与了HIV复制的多个步骤:在病毒复制早期,病毒包膜和细胞膜融合之后,衣壳进入细胞质并在宿主因子调控下维持稳定并向细胞核运输;核孔复合物蛋白NUP358、NUP153等与衣壳结合帮助预整合复合物进入细胞核;与衣壳相互作用的CPSF6还与HIV-1基因在宿主内整合位置偏好性相关;病毒复制的后期,病毒装配过程中衣壳蛋白前体gag多聚化形成结构性外壳,并将病毒RNA基因、gag-pol编码的前体蛋白等物质包裹于未成熟病毒颗粒内。最后,病毒蛋白酶对gag进行加工,介导圆锥形CA的成熟。因此,一旦CA及其成熟受到抑制,HIV-1将会几乎失去感染宿主细胞的能力。


HIV衣壳与宿主因子的相互作用


在HIV-1的复制周期中,不同阶段的宿主因子发挥着不同的作用。在病毒附着和膜融合阶段,宿主蛋白如ICAM-1和AP-2通过增强病毒与宿主细胞膜的结合和融合来促进感染。而在病毒基因组的逆转录和整合阶段,宿主因子如CypA和LEDGF/p75则帮助病毒稳定衣壳和顺利整合基因组到宿主DNA中。此外,许多宿主因子在逆转录和整合过程中表现出的双重角色。例如,CypA不仅在衣壳稳定中起关键作用,还可能在病毒基因组的逆转录过程中充当分子伴侣,帮助病毒成功复制。而LEDGF/p75则通过引导病毒基因组到活跃转录的染色质区域来确保整合的高效进行。通过靶向这些关键宿主因子,可能开发出新的治疗策略,阻断HIV-1的复制周期,从而有效地抑制病毒的传播。例如,干扰宿主因子与病毒的相互作用,或者增强宿主的抗病毒反应,可能成为未来抗HIV治疗的有效途径。


2021年发表于《自然·微生物学》上的论文[4]指出,SEC24C蛋白在进入细胞后与HIV衣壳结合并维持HIV衣壳在细胞质中的稳定性。这一结果提示SEC24C蛋白可能成为长效潜在疗法的靶点。


魏国超教授课题组通过一系列研究,包括Trim实验验证了SEC24C蛋白与HIV衣壳结合,荧光成像技术确定SEC24C与HIV衣壳相互作用,证实SEC24C蛋白能够增强HIV衣壳稳定性。研究显示,敲除SEC24C能够抑制HIV的复制。

图2. 荧光成像技术确定SEC24C与HIV衣壳相互作用


此外,魏国超教授与课题组提出,宿主因子中常见的朊病毒样低结构化区域(LCR)是CPSF6等宿主因子在细胞中与HIV衣壳紧密结合的主要原因。其机制主要通过与衣壳结合的宿主因子的LCR虽然不能与衣壳直接相互作用,但是可以通过相邻分子间的LCR-LCR相互作用促进宿主因子与衣壳的结合(Nat Commun,2022)。

图3. 冰冻电镜分析CPSF6与衣壳的结合


图4. LCR-LCR间相互作用促进CPSF6与HIV衣壳的结合


衣壳蛋白抑制剂


来那帕韦(Lenacapavir,GS6207)是一种长效的HIV-1衣壳抑制剂,可以通过感染复制周期多个阶段影响病毒的复制。作为首款获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准的HIV衣壳抑制剂,来那帕韦展现了极高的抗病毒效力,达到了皮摩尔(pM)级别。除了应用于HIV感染患者,该药物基于预防性暴露前的理念,还可以有效降低感染艾滋病病毒的风险,并且仅需每6个月进行一次注射。

图5. 来那帕韦抗病毒活性


魏国超教授课题组阐述了来那帕韦抑制病毒复制的分子机制:来那帕韦增加衣壳在细胞质的数量并阻止衣壳入核,阻断NUP153和CPSF6与衣壳的结合。其与衣壳的结合位点与CPSF6、NUP153及SEC24C相同,通过竞争性机制与这些位点结合。另外,来那帕韦改变αH9的构象,αH9与αH4的距离变短,缩小了疏水口袋的体积,进而影响了CPSF6和NUP153与衣壳的结合;同时,来那帕韦增强六聚体内部和之间的相互作用,过度增强了衣壳的稳定性(Science,2020)。

图6. GS6207与衣壳结合的晶体结构


总 结


魏国超教授课题组发现了对HIV感染具有促进作用的新的宿主因子SEC24C,进一步提出了HIV衣壳与宿主因子新型结合模式,并阐明了来那帕韦抑制HIV病毒复制的分子机制:通过过度增强衣壳稳定性并抑制宿主因子与衣壳的结合,从而阻止衣壳入核和脱衣壳。
参考文献
1. Zila et al, 2021, Cell
2. Li et al, 2021, PNAS
3. Gifford et al,2024,ACS nano
4. Nat Microbiol, 2021


专家简介



魏国超 教授

北京大学基础医学院病原生物学系研究员,助理教授,博士生导师,博雅青年学者。

2018年获得德国海德堡大学病毒学博士学位,2018~2023年于美国科罗拉多大学安舒茨校区从事博士后研究。

主要研究方向为HIV与宿主互作机制的研究及抗HIV药物的研发。

2023年入选国家海外高层次人才项目。

主持“十四五”科技部重点研发计划课题、北京市自然科学基金面上项目等。

以第一(含共同)或通讯作者发表在Science、Nature Microbiology、Nature Communications、Gut Microbes等权威期刊。



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来源:《感染在线Infection Online



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