Jacques A De La Bretonne M D

*仅供医学专业人士阅读参考距离人类首次发现艾滋病病毒（HIV）感染，已经过去近43年了。43年间，科学家对HIV的认知不断加深，给HIV感染者带来了抗反转录病毒疗法，改变了无数HIV感染者的命运。然而，时至今日，围绕HIV感染仍有很多未解之谜。HIV究竟是如何穿过细胞核孔并完整进入细胞核的，就是其中一个重要问题。众所周知，HIV属于反转录病毒。此类病毒要想建立感染，就必须把单链RNA转化为双链DNA，并将DNA整合到宿主的核基因组中。对于正在分裂的细胞而言，由于核膜破裂，整合进宿主基因组的过程比较简单。然而，对于没有分裂的细胞而言，HIV究竟是如何以宽达60nm的身躯，穿过有选择性且直径几乎与其宽度相近的细胞核孔的[1,2]，目前仍不为人所知。本周，由德国马克斯·普朗克多学科科学研究所Dirk Görlich和麻省理工学院Thomas U. Schwartz领衔的团队[3]，以及澳大利亚新南威尔士大学David Jacques领衔的团队[4]，在顶级期刊《自然》背靠背发表了两篇重磅研究成果。他们的研究发现，HIV的衣壳竟然可以模拟核转运蛋白，与核孔复合体中水凝胶一样的核蛋白以“握手”的方式结合，穿过核孔并将HIV的遗传物质顺利“偷渡”到细胞核内，完整建立感染的关键一步。两篇论文的首页截图早在数年之前，科学家就在不分裂细胞的细胞核中发现了完整的HIV衣壳[5,6]，甚至还有研究用成像技术捕捉到了HIV完整衣壳通过核孔复合体的情况[7]。不过，科学家一直不知道HIV的完整衣壳是如何通过具有选择性且狭窄的核孔的。细胞核的核孔结构非常复杂，作为人体内最大的分子机器之一，核孔复合体（NPC）由约1000个蛋白亚基组成[8]。在核孔的中间，充满了富含苯丙氨酸-甘氨酸（FG）基团的核孔蛋白（Nups），这些核孔蛋白交织在一起呈凝胶状，是核孔选择性的基础[8]。核孔的结构示意图[8]小分子和小于40 kDa的大分子可以通过被动扩散穿过核孔，但是40 kDa以上的大分子则需要借助于核转运蛋白帮其穿过核孔。核转运蛋白与目标大分子结合之后，进入核孔，与核孔蛋白富含的FG结合；而FG像伸出的手一样，将核转运蛋白和大分子传递到细胞核内部。无法穿越核孔的大分子（绿色）在核转运蛋白（红色）的帮助下穿过核孔[9]不过，困扰科学家们的问题是，HIV衣壳大小约为40 MDa，是被动扩散分子大小极限的1000倍，肯定无法扩散过去；也不太可能是借助于核转运蛋白，如果是那样的话，整体的直径势必会进一步增大，不可能穿过直径仅60nm左右的孔。那么HIV究竟是如何穿过细胞核孔的呢？Görlich团队和Jacques团队都注意到，HIV的衣壳蛋白上其实也有FG结合口袋[10]。这是否意味着，HIV衣壳其实就模拟了宿主细胞的核转运蛋白呢？或者干脆说，HIV之所以不需要额外的核转运蛋白，是因为它本身自带核转运蛋白呢。答案是肯定的。从HIV的衣壳来看，每个衣壳分子都有一个FG结合位点，如此一来HIV衣壳上就有超过1200个这样的位点。不难想象，HIV衣壳与核孔中富含FG的核孔蛋白有很强的相互作用。上图：大分子在核转运蛋白的帮助下穿过核孔下图：HIV在衣壳的帮助下穿过核孔图中红点为结合位点Görlich团队和Jacques团队的研究结果说明，HIV的衣壳模仿了核转运蛋白的功能，通过与核孔中FG结合帮助HIV穿过核孔进入细胞核。值得注意的是，已经获得FDA批准的衣壳抑制剂lenacapavir就可以与FG口袋结合，这也意味着阻止HIV感染不分裂细胞，或许是其抗病毒作用机制之一。此外，这个研究还意味着，其他可以感染不分裂细胞的反转录病毒有可能也是通过这种方式进入细胞；因此，值得这些病毒中开展类似的研究。如果这一现象确有普适性，或许可以基于此开发出广泛的抗病毒药物。还有一个让人兴奋的点儿是，利用这一发现改造慢病毒，有望使其成为更高效的基因治疗载体。在看完Görlich团队和Jacques团队的研究之后，我心里其实还有个疑问。那就是HIV衣壳的最大直径是60nm，核孔的直径也在60nm左右，虽然大小刚好合适，但多少还是有些拥挤了。还有没有外力促进HIV衣壳穿过核孔呢？巧的是，我今早刚好看见了美国芝加哥大学Gregory A. Voth团队，于本月19日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇研究论文[11]。他们这个研究发现，HIV衣壳能完整穿过狭窄的细胞核核孔，与核孔的扩展/收缩构象变化、HIV衣壳的弹性等密切相关。随着核孔的构像变化，HIV衣壳不断往核孔中挤，哪怕遇到核孔收缩，衣壳的良好弹性也能保证其不被压破。HIV穿越核孔的过程总的来说，上面的三个研究说明，HIV衣壳完整穿过细胞核核孔，一方面需要衣壳与核孔蛋白的FG结合，另一方面也需要借助于核孔复合体的构像变化以及衣壳本身良好的弹性。不得不感叹，HIV进化得确实成功。参考文献：[1].Schuller AP, Wojtynek M, Mankus D, et al. The cellular environment shapes the nuclear pore complex architecture. Nature. 2021;598(7882):667-671. doi:10.1038/s41586-021-03985-3[2].Mosalaganti S, Obarska-Kosinska A, Siggel M, et al. AI-based structure prediction empowers integrative structural analysis of human nuclear pores. Science. 2022;376(6598):eabm9506. doi:10.1126/science.abm9506[3].Fu L, Weiskopf EN, Akkermans O, et al. HIV-1 capsids enter the FG phase of nuclear pores like a transport receptor. Nature. 2024. doi:10.1038/s41586-023-06966-w[4].Dickson CF, Hertel S, Tuckwell AJ, et al. The HIV capsid mimics karyopherin engagement of FG-nucleoporins. Nature. 2024. doi:10.1038/s41586-023-06969-7[5].Bejarano DA, Peng K, Laketa V, et al. HIV-1 nuclear import in macrophages is regulated by CPSF6-capsid interactions at the nuclear pore complex. Elife. 2019;8:e41800. Published 2019 Jan 23. doi:10.7554/eLife.41800[6].Burdick RC, Li C, Munshi M, et al. HIV-1 uncoats in the nucleus near sites of integration. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020;117(10):5486-5493. doi:10.1073/pnas.1920631117[7].Zila V, Margiotta E, Turoňová B, et al. Cone-shaped HIV-1 capsids are transported through intact nuclear pores. Cell. 2021;184(4):1032-1046.e18. doi:10.1016/j.cell.2021.01.025[8].Lin DH, Hoelz A. The Structure of the Nuclear Pore Complex (An Update). Annu Rev Biochem. 2019;88:725-783. doi:10.1146/annurev-biochem-062917-011901[9].Schmidt HB, Görlich D. Transport Selectivity of Nuclear Pores, Phase Separation, and Membraneless Organelles. Trends Biochem Sci. 2016;41(1):46-61. doi:10.1016/j.tibs.2015.11.001[10].Matreyek KA, Yücel SS, Li X, Engelman A. Nucleoporin NUP153 phenylalanine-glycine motifs engage a common binding pocket within the HIV-1 capsid protein to mediate lentiviral infectivity. PLoS Pathog. 2013;9(10):e1003693. doi:10.1371/journal.ppat.1003693[11].Hudait A, Voth GA. HIV-1 capsid shape, orientation, and entropic elasticity regulate translocation into the nuclear pore complex. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024;121(4):e2313737121. doi:10.1073/pnas.2313737121本文作者丨BioTalker