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可以在室温下实时追踪分子的技术

来源：犹他大学

病毒很可怕。它们像无形的军队一样侵入我们的细胞，每种类型都有自己的攻击策略。当病毒摧毁人类和动物群落时，科学家们争相反击。许多人利用电子显微镜，这种工具可以“看到”病毒中的单个分子在做什么。然而，即使是最复杂的技术也需要冷冻和固定样本以获得最高的分辨率。

现在，犹他大学的物理学家开创了一种在室温下以令人印象深刻的分辨率实时成像病毒样粒子的方法。在一项新的研究中，该方法揭示了构成人类免疫缺陷病毒主要结构成分的晶格是动态的。由Gag和GagPol蛋白构成的扩散晶格的发现，开启了潜在的新疗法，长期以来，这种晶格被认为是完全静止的。

当艾滋病毒颗粒从受感染的细胞中发芽时，病毒在感染前会经历一段滞后时间。蛋白酶，一种作为半分子嵌入GagPol蛋白的酶，必须在一个称为二聚化的过程中与其他类似分子结合。这触发了病毒成熟，导致传染性颗粒。没有人知道这些半蛋白酶分子是如何相互发现并二聚的，但这可能与位于病毒包膜内的Gag和GagPol蛋白形成的晶格重排有关。Gag是主要的结构蛋白，已被证明足以组装病毒样颗粒。Gag分子形成了一个六边形的格子结构，这种结构以微小的间隙相互缠绕。新方法表明Gag蛋白点阵不是静态的。

研究的主要作者、美国大学物理与天文学系的Ipsita Saha说：“通过使用传统上只能提供静态信息的显微镜技术，这一方法向前迈了一步。除了新的显微镜技术之外，我们还使用数学模型和生化实验来验证晶格动力学。”“除了病毒之外，该方法的主要含义还在于您可以看到分子如何在细胞中移动。我们可以用此方法研究任何生物医学结构。”

这篇论文发表在2020年6月26日的《生物物理杂志》（Biophysical Journal）上。

绘制纳米机器

科学家起初并不是在寻找动态结构——他们只是想研究Gag蛋白质晶格。以Saha为首的研究员进行了两年的努力，来“破解”显微镜技术，以便能够在室温下研究病毒粒子，观察它们在现实生活中的行为。病毒的规模很小——直径约120纳米——所以萨哈使用了干涉光活化定位显微镜。

首先，Saha用一种叫做树突状蛋白2的荧光蛋白标记了Gag，并产生了生成的Gag-树突状蛋白的病毒样颗粒。这些病毒样颗粒与艾滋病毒颗粒相同，但仅由Gag-树突状细胞2蛋白晶格结构组成。Saha表明，生成的Gag-树突2蛋白组装病毒样颗粒的方式与病毒样颗粒组成常规Gag蛋白的方式相同。荧光附着使iPALM能够以10纳米的分辨率对粒子成像。科学家发现，每个固定的病毒样颗粒包含1400到2400个以六边形点阵排列的Gag-Dendra2蛋白。当他们用iPALM数据重建晶格的延时图像时，似乎Gag-Dendra2的晶格不是随时间静止的。为了确保这一点，他们以两种方式独立验证了这一点：数学和生物化学。

首先，他们将蛋白质网格分成均匀的独立片段。通过相关性分析，他们测试了10到100秒内每一个片段是如何相互关联的。如果每个片段继续相互关联，蛋白质就静止了。如果它们失去相关性，蛋白质就会扩散。他们发现，随着时间的推移，蛋白质是相当动态的。

他们验证动态晶格的第二种方法是生化方法。在这个实验中，他们创造了病毒样颗粒，其晶格由80%的Gag野生型蛋白质、10%的用SNAP标记的Gag和10%的用Halo标记的Gag组成。SNAP和Halo是能结合一个接头的蛋白质，该接头能使它们永远结合在一起。这个想法是为了确定蛋白质晶格中的分子是否保持静止，或者它们是否迁移了位置。

“Gag蛋白是随机组装的。SNAP和Halo分子可能在晶格内的任何地方——有些可能彼此靠近，有些可能远离，”Saha说。“如果晶格发生变化，分子就有可能相互靠近。”

Saha 将一种叫做Haxs8的分子引入病毒样颗粒。Haxs8是一种二聚体——当SNAP和Halo蛋白在彼此的结合半径内时共价结合它们的分子。如果SNAP或Halo分子彼此靠近，它们会产生一个二聚复合物。她跟踪了这些二聚复合物的浓度随时间的变化。如果浓度发生变化，这将表明新的分子对找到了彼此。如果浓度降低，这将表明蛋白质分解了。不管怎样，这都表明运动已经发生了。他们发现，随着时间的推移，二聚复合物的百分比增加；HALO和SNAP Gag蛋白在整个晶格中运动，并随着时间的推移聚集在一起。

研究病毒的新工具

这是第一个表明包膜病毒的蛋白质晶格结构是动态的研究。这个新工具对于更好地理解新病毒粒子从不成熟到危险的传染性时晶格内发生的变化非常重要。

“导致感染的分子机制是什么？这开辟了一个新的研究领域。”“如果你能搞清楚这一过程，也许你能做些什么来阻止他们找到对方，比如一种能阻止病毒追踪的药物。”

参考文献：

Ipsita Saha, Saveez Saffarian. Dynamics of the HIV Gag Lattice Detected by Localization Correlation Analysis and Time-Lapse iPALM. Biophysical Journal, 2020; DOI: 10.1016/j.bpj.2020.06.023