病毒太可怕了。它們像無形的一樣入侵我們的細胞，每種類型都有自己的攻擊策略。當(dāng)病毒摧毀人類和動物群落時，科學(xué)家會反擊。許多人使用電子顯微鏡，它可以“看到”病毒中的每個分子在做什么。然而，即使有最先進的技術(shù)，樣品也需要冷凍和固定才能獲得最高的分辨率。
現(xiàn)在，猶他大學(xué)的物理學(xué)家開創(chuàng)了一種在室溫下以令人印象深刻的分辨率對病毒樣粒子進行實時成像的方法。在一項新的研究中，這種方法揭示了人類免疫缺陷病毒(HIV)主要結(jié)構(gòu)成分的晶格是動態(tài)的。Gag和GagPol蛋白構(gòu)成的擴散晶格的發(fā)現(xiàn)長期以來被認為是完全靜態(tài)的，這為潛在的新療法開辟了道路。
當(dāng)艾滋病毒顆粒從受感染的細胞中發(fā)芽時，病毒會經(jīng)歷一段時間的滯后，然后才會變得具有傳染性。蛋白酶是一種以半分子形式嵌入GagPol蛋白中的酶，它必須與其他類似分子在一個稱為二聚化的過程中結(jié)合。這引發(fā)了病毒成熟，導(dǎo)致傳染性粒子。沒有人知道這些半蛋白酶分子是如何相互發(fā)現(xiàn)并二聚的，但這可能與病毒包膜內(nèi)Gag和GagPol蛋白的晶格重排有關(guān)。Gag是一種主要的結(jié)構(gòu)蛋白，已被證明足以組裝病毒樣顆粒。gag分子形成一個六邊形的晶格結(jié)構(gòu)，它與自身糾纏在一起，并穿插著微小的間隙。新方法表明Gag蛋白點陣不是靜態(tài)的。
這項研究的主要作者Ipsita Saha說：“這種方法通過使用傳統(tǒng)上只能提供靜態(tài)信息的顯微鏡技術(shù)向前邁出了一步。除了新的顯微鏡方法，我們還使用數(shù)學(xué)模型和生化實驗來驗證晶格動力學(xué)?！泵绹锢砗吞煳膶W(xué)系。“除了病毒，這種方法的主要意義在于，你可以看到分子在細胞中是如何運動的。你可以用這種方法研究任何生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)。”
本文發(fā)表于2020年6月26日《生物物理雜志》。
測繪納米機器
科學(xué)家起初并不是在尋找動態(tài)結(jié)構(gòu)，只是想研究Gag蛋白點陣。薩哈領(lǐng)導(dǎo)“黑客”顯微鏡技術(shù)的研究工作兩年，以便能夠在室溫下研究病毒顆粒，觀察它們在現(xiàn)實生活中的行為。病毒的大小非常小——直徑約為120納米——因此，薩哈使用了干涉光敏定位顯微鏡(iPALM)。
首先，薩哈用一種叫做樹突狀細胞2的熒光蛋白標(biāo)記了Gag，并產(chǎn)生了Gag-樹突狀細胞2蛋白的病毒樣顆粒。這些病毒樣顆粒與HIV顆粒相同，但僅由Gag-Dendra2蛋白的晶格結(jié)構(gòu)組成。Saha表明，獲得的Gag-Dendra2蛋白以與構(gòu)成常規(guī)Gag蛋白的病毒樣顆粒相同的方式組裝病毒樣顆粒。熒光附件使iPALM能夠以10納米的分辨率成像粒子。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，每個固定的病毒樣顆粒以六邊形網(wǎng)格的形式與1400至2400種Gag-Dendra2蛋白結(jié)合。當(dāng)他們使用iPALM數(shù)據(jù)重建晶格的延遲圖像時，似乎Gag-Dendra2的晶格在時間上不是靜態(tài)的。為了確保這一點，他們通過兩種方式獨立驗證：
首先，他們將蛋白質(zhì)點陣分成均勻的獨立片段。通過相關(guān)性分析，他們測試了每個片段在10到100秒內(nèi)是如何相互關(guān)聯(lián)的。如果每個片段繼續(xù)與自身相關(guān)，蛋白質(zhì)就固定了。如果它們失去相關(guān)性，蛋白質(zhì)就會擴散。他們發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移，這些蛋白質(zhì)非?；钴S。
他們驗證動態(tài)點陣的第二種方法是生化法。在這個實驗中，他們創(chuàng)造了病毒樣顆粒，其晶格由80% Gag野生型蛋白質(zhì)、10% SNAP標(biāo)記的Gag和10% Halo標(biāo)記的Gag組成。Snaphalo和Snaphalo是可以與連接器結(jié)合的蛋白質(zhì)，它們可以永久結(jié)合在一起。這個想法是為了確定蛋白質(zhì)晶格中的分子是保持靜止還是已經(jīng)遷移。
薩哈說：“Gag蛋白是隨機組裝的。snaphalo分子可以在晶格中的任何位置——有些可能彼此靠近，而有些則遠離?！?如果晶格改變，分子可能會彼此靠近."
Saha將一種叫做Haxs8的分子引入到病毒樣顆粒中。Haxs8是一種二聚體——當(dāng)SNAP和Halo蛋白在彼此的結(jié)合半徑內(nèi)時，它們共價結(jié)合的分子。如果SNAP或Halo分子彼此相鄰移動，它們將產(chǎn)生二聚體。隨著時間的推移，她追蹤了這些復(fù)雜的二聚化濃度。如果濃度變化，則表明有新的分子對。如果濃度降低，說明蛋白質(zhì)分解了。無論哪種方式，它都將表明運動已經(jīng)發(fā)生。他們發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，二聚體的百分比增加。HALO和SNAP Gag蛋白在整個晶格中移動，并隨著時間的推移聚集在一起。
病毒研究的新工具
這是首次研究表明包膜病毒的蛋白質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)是動態(tài)的。這個新工具對于更好地理解新病毒顆粒變得不成熟和危險感染時發(fā)生的晶格變化非常重要。
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