Only Perception: 新研究揭露 HIV 蛋白殼結構

2009-06-16

新研究揭露 HIV 蛋白殼結構

New study reveals structure of the HIV protein shell
http://www.physorg.com/news164037605.html

June 12th, 2009

The Scripps Research Institute 以及其他單位的科學家所完成的新研究，為圓錐形的殼（那是人類免疫不全病毒 (human immunodeficiency virus，HIV，愛滋病毒) 的正字標記）提供了一種特寫，揭露它如何連接在一起 -- 以及拆開它們的可能方法。

在這之前，科學家已經知道 HIV 內的遺傳物質被封裝在一種稱為 capsid （外殼、衣殼）的殼中，那由大約 250 個六角形的蛋白基石（building blocks）如蜂巢般列而成。對於要感染人類細胞的 HIV 而言，這些病毒會與細胞表面受體結合，接著 capsid 被傳遞進入細胞的細胞質中。

現在，一篇於 2009/6/11 預先在 Cell 期刊線上版發表的研究中，Mark Yeager 教授及其在 The Scripps Research Institute、Virginia 大學，以及 Utah 大學的同僚首度描述這種六角形蛋白質基石（稱為 CA，那構成 HIV 的 capsid）的高解析度分子結構。這種詳盡描述也許能幫助科學家確認阻止 HIV 傳染的新方法。

打敗 Capsid（Bringing Down the Capsid）

自從 HIV/AIDS 首度在 1981 年被識別以來，數種藥物與藥物結合已允許被感染的個人活的更久與擁有更健康的生活。然而，對於現存藥物的抗（藥）性，已創造出對於新奇治療策略的迫切需要。

目前藥物以病毒生命週期中的關鍵階段為目標。例如，蛋白水解酶（protease）抑制劑阻止了會產生病毒成份的蛋白裂隙（protein cleavages）-- 其中之一是 CA 蛋白。

其他阻止感染的可能方法是，藉由封鎖 CA 分子的組裝避免 capsid 的形成，或尋覓某種方法，一旦 capsid 形成時就將其拆解。

"任何使 capsid 不穩定的方法（不是藉由抑制組裝就是加速拆解），應能削弱或甚至殺死病毒，" Owen Pornillos 表示，Yeager 實驗室的研究者，這篇 Cell 論文的第一作者。

不過要使 capsid 不穩定，需要精確知道它如何連接在一起。

製造結晶體（Making Crystals）

"沒有人能在原子的解析度下將 CA 六聚體（CA hexamer）視覺化，" Yeager 說（譯註：目前已可將奈米結晶體中的原子結構成像，解析度可達次埃）。"其他小組已能解開 CA 個別區域的結構。但並不十分清楚這些 CA 蛋白如何「合」在一起。"

為了製造 capsid，六個一組的 CA 蛋白分子首先形成六聚體，那接著與另一組結合在一起，建構出由大約 250 個六聚體組成的、如蜂巢般的殼。殼的終端藉由插入七個與五個 CA 蛋白五聚體（pentamers）而關閉，產生了外表如圓錐體般的 capsid。

在 2007 年，Yeager 的小組設法透過某類電子顯微鏡來觀看 CA 六聚體，其中樣本在緩衝器中被快速冷凍，那維持了蛋白質天生的結構。那項研究使人首度瞥見 CA 蛋白如何在 capsid 當中排列。（2007 年文章的第一作者為 Barbie Ganser-Pornillos，Owen Pornillos 的老婆，她也參與目前的研究。）

為了要在更高的解析度下觀看 CA 六聚體，Yeager 的小組轉向 X 光結晶學。這種技術需要生長某分子的 3D 結晶體，接著使 X 光束自結晶體散射，那接著被記錄在偵測器上。接著使用運算方法來解釋散射圖案，以計算結晶化分子中每個原子的位置。

但要生長大型的、CA 六聚體的 3D 結晶體並不簡單。CA 蛋白分子的二端透過一種「鬆軟的（floppy）」橋接連接在一起，那杜絕整齊 CA 六聚體陣列的構成以形成 3D 結晶體。

為了克服這個問題，Pornillos 與 Yeager 轉向分子生物學。他們改造 CA 蛋白，能在它們之間形成形成堅固的化學連接，這依賴將 2007 年的結構當成他們的路線圖以確切決定這些連接該放何處。

"我們的研究利用所謂混合方法的優勢 -- 分子生物學、生物化學電子顯微術與 X 光結晶學，" Yeager。"這些方法是協同一致的。這些 EM 結果將這種分子生物學引導至改造穩定的 CA 六聚體，那接著經得起 3D 結晶學與原子解析度下，X 光結構分析的考驗。"

他們所獲得的結構在空前的二埃（Angstrom）解析度下提供 CA 六聚體的觀察。

特寫（A Close-Up Look）

所有蛋白質都是由線性的胺基酸鏈組成 -- 有一端被稱為胺基端（ N-terminus）另一端則稱為羧端（C-terminus）-- 那折疊成三維形狀。在 CA 蛋白中，胺基酸鏈被扭轉成數根桿狀物，稱為 a-helices（a-螺旋），同時具有延伸物 -- 稱之為側鏈 -- 那從主鏈伸出以便與此蛋白質的其他折疊區產生交互作用。

這種二埃結構展現這些 a-helices 的地點以及，首度曝光的、原子在側鏈中的位置。"我們能精確地描述所有化學交互作用的輪廓，那使六具體穩定，" Yeager 說。

CA 六聚體的中心由 CA 蛋白次單元的 6 個 N-terminus 所形成。C-terminal 域形成「鬆軟的」帶狀物環繞這個中央核心，連結毗鄰六聚體。此帶狀物並沒有緊緊地固定在定點這項事實，幫助解釋為何蜂巢形狀的 capsid 會形成。" capsid 的曲率並不固定，" Pornillos 說。"現在我們能在原子的細節下瞧見 CA 在使這事發生上多麼的有彈性。"

在使 capsid 穩定上，該小組發現另一組關鍵交互作用 -- 在一個（大型）六聚體中 N-terminal 與毗鄰 CA 蛋白的 C-terminal 終端之間連結。

"考慮一隻手的手指是 N-terminal 域，而手掌是 C-terminal，" Yeager 說。"想像一隻手的手指，擱在另一隻手的手掌中，如此類推，猶如你的六隻手成了一個環狀物。"

精確知道 CA 蛋白如何以及在何處互動，使研究者擁有「該如何干擾這些連結」的線索。方法之一是設計小型分子，那能將它們自己插入戰略位址，影響 capsid 的組裝，或使 capsid 失去穩定性。

雖然尋找 HIV 療法是 Yeager 研究的主要驅力，不過他指出那也能為生物學提供基礎的洞見。"測定相對簡單的結構，如病毒的 capsid ，能幫助我們理解細胞內更複雜的生物學結構如何組織，" 他解釋。

※ 相關報導：

＊ X-Ray Structures of the Hexameric Building Block of the HIV Capsid
http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(09)00580-7

Owen Pornillos, Barbie K. Ganser-Pornillos1, Brian N. Kelly,
Yuanzi Hua, Frank G. Whitby, C. David Stout,
Wesley I. Sundquist, Christopher P. Hill and Mark Yeager
Cell, 11 June 2009
doi: 10.1016/j.cell.2009.04.063