HIV关键性蛋白Nef研究取得重大进展

2016年8月10日–全世界有3600万多人感染上人类免疫缺陷病毒(HIV),其中美国有120万人感染上HIV。当前的抗逆转录病毒药物组合阻断HIV如何复制、成熟和入侵未被感染的细胞,但是这种组合不能够根除这种病毒。

作为美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)生物与工程科学中心的一名研究员,Mike Kent正在研究参与HIV感染发展为获得性免疫缺陷综合征(AIDS)的蛋白Nef,最终目标是阻断它。他和他的合作者开发出一种新的混合方法来研究这种破坏免疫系统的HIV蛋白。这种方法也可能能够研究很多其他的破坏细胞过程和导致疾病的蛋白。

Nef到达被感染的细胞的细胞膜上,诱导这种细胞破坏它自己的免疫系统信号受体,从而允许这种被感染的细胞躲避免疫系统的检测。Nef也劫持了细胞通信而使得这种病毒更容易复制。为了与这些宿主蛋白相互作用,Nef需要改变形状。

这种改变形状的蛋白Nef是如此重要以至于感染上与HIV亲缘关系较为密切的猴免疫缺陷病毒(SIV)的恒河猴因SIV缺乏蛋白Nef而不会产生免疫缺陷症状。

Kent说,“Nef是产生AIDS所必需的一种蛋白。它通过改变信号转导和受体运输来实现它的任务。它结合到至关重要的免疫系统受体上,然后指示我们的细胞摧毁它们。如果知道这种蛋白如何发挥作用,那么人们就能够更好地开发阻止它的药物。”

将两种技术结合在一起揭示Nef结构和功能

Kent和来自美国东北大学的生物分析化学教授John Engen团队将两种已知的生物物理技术结合在一起发现Nef如何改变它的结构来发挥它的功能。

Kent是中子反射术(neutron reflectometry)专家,其中中子反射术是一种获得薄膜和生物膜纳米水平结构信息的技术。他的团队利用这种技术对Nef结合到细胞膜上时的全局结构和它失活的未结合到细胞膜上时的全局结构进行比较。

Engen的专长是氢-氘交换质谱(hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry),即一种测量蛋白局部结构和柔性的技术。Engen团队利用它获得Nef结合到细胞膜上时的局部结构和动力学特征。

利用中子反射术获得的全局结构信息只显示出Nef蛋白相对于细胞膜的平均位置。利用氢-氘交换质谱产生的Nef蛋白局部动力学特征是通过测量这种蛋白的很多小部分而获得的,反映出30个存在重叠的区域的柔性,其中这30个区域一起覆盖了Nef蛋白的90%。它们一起构建出一种更加完整的Nef结构图和它的结构变化。

这种全局的和局部的肽特异性信息支持一种广泛接受的假设:在结合到细胞膜上时,Nef改变它的结构,从而与信号受体和其他的宿主蛋白相互作用,而在此之前,这种假设从未获得支持。

Kent说,“人们很长时间以来就一直在研究Nef,而且人们提出模型,认为这种蛋白可能看起来像什么和可能发挥什么作用。Nef是一种很难研究的蛋白,这是因为人们只能够让这种蛋白的折叠部分形成结晶,而且大约该蛋白的一半是松散的。此外,人们不能够通过结晶学分析研究结合细胞膜上的Nef蛋白。”

Kent继续说道,“这是人们首次测量出这些结构变化,而且这些结果与假设的模型相一致。这些形状变化的细节为Nef蛋白如何发挥功能提供新的重要认识。”这种混合方法可能导致新的用于药物筛选的检测程序。

为了将这两种技术结合在一起,Kent团队首先需要制造出一种特殊的仪器。它需要包含一种扁平的由饱和脂肪组成的模拟生物膜的脂质单层。它也不得不与一种配备着用于中子反射测量的中子源的设备整合在一起,从而允许快速地交换这种松软的用于氢-氘交换实验的支持层。

另一种挑战就是正确地产生Nef蛋白。在被感染的细胞中,Nef被附着上一种特殊的脂质,这种脂质起着将Nef锚定到细胞膜上的作用。Engen团队需要产生含有这种不可或缺的脂质—被称作豆蔻酸根(myristate group)—的Nef蛋白。

这项研究受到美国国家卫生研究院的资助。这些中子反射测量是在美国国家标准技术研究所中子研究中心和橡树岭国家实验室散裂中子源开展的。

新方法可能解决关于HIV和其他疾病的很多问题

利用这种混合方法和独特的仪器在身边,Kent团队正在寻找研究资金来解答关于Nef的其他问题。

Kent说,“我们曾独自地研究它;如今,我们想要研究它和它的结合搭档、宿主蛋白和它形成的复合物,以及在药物分子或抑制剂存在时开展同样的研究。阻止它与它的搭档结合,或者抑制它获得导致受体降解的构象将会产生重要的医学影响。”

来自美国匹兹堡大学医学院的Tom Smithgall当前正在筛选可能阻断Nef作用的潜在药物。

Kent也希望利用这种混合方法解决膜结合蛋白的其他重要的结构问题,如病毒成熟;病毒与宿主细胞膜融合;肉毒毒素、破伤风菌毒素和白喉毒素等细菌毒素的工作机制;从癌症到胆固醇水平调节在内的细胞信号功能障碍。

Kent说,“就一般意义而言,将这两种技术结合在一起具有巨大的潜力。还没有其他的方法获得关于至关重要的膜蛋白的这些特异性的直接信息。这是一种重要的生物学问题集中之处,在我们的研究之前是不可能解决的,而且我们已取得一些重大进展。未来的益处依赖于我们如何广泛地使用这种方法,而不只是研究这种HIV蛋白。”

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