《科學(xué)》雜志今日發(fā)表了一篇關(guān)于HIV研究的重要論文。美國弗吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）和猶他大學(xué)（University of Utah）的科學(xué)家們合作，構(gòu)建了一個(gè)無細(xì)胞的體系，首次讓HIV在體外依次完成逆轉(zhuǎn)錄和整合。通過這個(gè)無細(xì)胞的體系，科學(xué)家們得以更好地觀察對(duì)于HIV感染而言至關(guān)重要的兩個(gè)步驟。他們也發(fā)現(xiàn)病毒的衣殼（capsid）在這兩個(gè)步驟中扮演的全新角色。

作為一種逆轉(zhuǎn)錄病毒，HIV能將自己的病毒RNA基因組逆轉(zhuǎn)錄為雙鏈的DNA，并整合入所感染細(xì)胞的基因組內(nèi)。過去幾十年，科學(xué)家們通過一系列結(jié)構(gòu)、生化、以及分子病毒學(xué)的分析，已經(jīng)闡明了參與這些步驟的多個(gè)酶反應(yīng)。但由于這些病毒顆粒深藏于細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核中，很難對(duì)其進(jìn)行機(jī)制上的研究。這也是為何科學(xué)家們想要開發(fā)一個(gè)“無細(xì)胞”的體系。

先前，也有一些體外實(shí)驗(yàn)可以研究逆轉(zhuǎn)錄，或是整合的步驟，但這些實(shí)驗(yàn)一次只能觀察一個(gè)步驟。而在本研究中，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)和優(yōu)化的體系可以連續(xù)觀察這兩個(gè)步驟。

▲連續(xù)觀察HIV-1基因組逆轉(zhuǎn)錄和整合的體外無細(xì)胞體系（圖片來源：參考資料[1]）

具體來看，他們純化了HIV-1病毒體，使用能穿孔的多肽，在病毒包膜上“打”了一些小洞。隨后，他們添加了一些dNTPs，促使逆轉(zhuǎn)錄的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們成功觀察到了雙鏈DNA的積累。隨后，科學(xué)家們往實(shí)驗(yàn)體系中添加了細(xì)胞提取物，重現(xiàn)了病毒DNA整合入外源DNA的過程。測序結(jié)果確認(rèn)病毒DNA整合的方式與預(yù)期一致。

有意思的是，在確認(rèn)哪些要素對(duì)于病毒的逆轉(zhuǎn)錄和整合起到關(guān)鍵作用的時(shí)候，一個(gè)意想不到的結(jié)果出現(xiàn)在科學(xué)家們面前——HIV的衣殼。從結(jié)構(gòu)上看，衣殼是包裹在病毒遺傳物質(zhì)外的一層保護(hù)。但這篇論文發(fā)現(xiàn)，衣殼在病毒感染的過程中，起到了更為主動(dòng)的作用。

▲HIV的衣殼（黃色和紫色所示）包裹著病毒的RNA（藍(lán)色所示）（圖片來源：參考資料[2]；Credit：Janet Iwasa）

通過遺傳學(xué)或生物化學(xué)的方法，研究人員們發(fā)現(xiàn)，如果衣殼變得不穩(wěn)定，病毒就無法通過逆轉(zhuǎn)錄來復(fù)制自己的遺傳物質(zhì)。這也是科學(xué)家們首次直接表明，衣殼是HIV感染的重要元件。

俗話說眼見為實(shí)。為了看清衣殼如何參與到了HIV感染的過程，研究人員們使用冷凍電鏡技術(shù)，看到在逆轉(zhuǎn)錄的過程中，衣殼大部分都保持完整。在逆轉(zhuǎn)錄發(fā)生的8-10個(gè)小時(shí)后，研究人員們依舊可以觀察到大型的完整衣殼結(jié)構(gòu)，且病毒的核酸從衣殼的網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)中排出。這一時(shí)間段恰好是逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物積聚到峰值，發(fā)生整合的時(shí)間。

▲冷凍電鏡和分子建模技術(shù)讓我們有機(jī)會(huì)以前所未有的細(xì)節(jié)看清病毒（圖片來源：參考資料[2]；Credit：Owen Pornillos, Barbie Ganser-Pornillos）

“這和教科書上寫的不一樣，”本研究的通訊作者之一Wesley I. Sundquist教授說道，“我們的數(shù)據(jù)顯示病毒的衣殼在支持有效的逆轉(zhuǎn)錄方面，扮演了主動(dòng)且不可或缺的角色?！?

研究人員們指出，這項(xiàng)研究在無細(xì)胞的體系中重塑了HIV的逆轉(zhuǎn)錄和整合，并表明病毒的衣殼在其中起到了重要的作用。與先前的理解不同，它不僅能保護(hù)病毒基因組，讓病毒跨越細(xì)胞質(zhì)，進(jìn)入細(xì)胞核，接近整合位點(diǎn)，它還是逆轉(zhuǎn)錄過程的關(guān)鍵。

對(duì)于針對(duì)衣殼蛋白的在研HIV藥物來說，這項(xiàng)研究表明它們可能起效。而這個(gè)無細(xì)胞體系的建立，也有助于未來對(duì)HIV感染的關(guān)鍵步驟進(jìn)行更詳盡的研究，找到阻止HIV的全新方法。

參考資料：

[1] Devin E. Christensen et al,. (2020), Reconstitution and visualization of HIV-1 capsid-dependent replication and integration in vitro, Science, DOI: 10.1126/science.abc8420

[2] HIV up close: Unprecedented view of virus reveals essential steps for causing AIDS, Retrieved October 8, 2020, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-10/uouh-huc100220.php