HIV—1整合酶四聚体的模建及结构基础研究

文章编号：1002-1302（2017）22-0032-06

艾滋病（acquired immune deficiency syndrome，简称AIDS）是由人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，简称HIV）[1]感染引起的具有较强传染性的一种疾病，据世界卫生组织（world health organization，简称WHO）统计[2]，截至2014年，全球有超过3 800万人感染了艾滋病，其中受灾最严重的是非洲，平均1 000个5岁以下的儿童中有95个患有艾滋病。近年来，在亚洲，尤其是中国的艾滋病患者也越来越多了，因此研究抗艾滋病药物刻不容缓。

HIV-1整合酶（integrase，简称IN）是HIV病毒生命周期中不可缺少的酶之一，能够通过3′-端加工（3′-processing，简称3′-P）和链转移（strand transfer，简称ST）2步反应，将病毒DNA整合到宿主DNA上，形成新的DNA，并随着宿主DNA的复制而复制[3-5]。因此，HIV-1整合酶是开发抗艾滋病药物的重要靶点。HIV-1 IN是由288个氨基酸组成的蛋白质，折叠成3个结构域，分别是C-端结构域（C-terminal domain，简称CTD）、催化核心结构域（catalytic core domain，简称CCD）和N-端结构域（N-terminal domain，简称NTD）。其中NTD由1～45个氨基酸组成，含有1个保守的HHCC基序，该基序可以结合Zn2+离子，文献[6]显示，NTD可以与病毒DNA相互作用，但在体外分离后不能与DNA特异性结合[7]；另外，相关研究显示，NTD还具有促进IN多聚化的重要功能[8]。CCD由50～212个氨基酸组成，是IN参与催化反应的核心结构，含有聚核苷酸转移酶、核酸内切酶酶切位点，以及3个保守的氨基酸（D64、D116和E152）组成的DDE基序[9]，高度保守的DDE基序与二价金属离子结合，共同构成了CCD的活性中心。CTD由220～270个氨基酸组成，是3个结构域中最不具有保守性的[10-11]。Vink等发现，CTD可以与病毒DNA以非特异性的方式结合[12]，另外，CTD在IN与其他蛋白的相互作用中，尤其是与逆转录酶的相互作用密切相关[13-14]。

研究结果表明，HIV-1 IN在人体细胞中表现为稳定的四聚体，因此HIV-1 IN的四聚体结构是HIV-1 IN能完整发挥其生物学催化功能的结构单元[15]。但截至目前，全长的IN四聚体尚未被解析出来，这也极大地限制了基于IN结构的药物分子设计研究。鉴于蛋白质数据库（protein data bank，简称PDB）已经含有IN的3个区域的片段结构，可以通过多模板同源模建以及结构组装的方法获得完整的IN四聚体模型。另外，由于IN的生命周期中是与病毒DNA的结合密切相关的，但PDB库中没有IN-DNA复合物的结构，因此为了更深入地研究IN的结构与功能的关系，得到IN-DNA的复合物是十分重要的。

在所有与IN功能相似的蛋白质中，Tn5转座酶是相似度最好的，它与IN一样，在核心区均存在1个类似RNaseH状的折叠区域，并且同属于聚核苷酸转移酶超家族[16]。Rice等发现，Tn5转座酶与IN一样，可以通过3′-P、ST 2步反应重排转座子[9]。此外，Tn5转座酶的结构中同样含有1个保守的DDE基序，并且可以结合二价金属离子，Davies等人已用X-ray晶体衍射法解析出了Tn5转座酶与病毒DNA的复合物晶体结构。因此，本研究使用Tn5转座酶晶体结构中的病毒DNA作为模板来模建完整HIV-1 IN-病毒DNA复合物结构是合理可行的。在得到完整的IN四聚体与DNA复合物结构后，模建结果的合理性、四聚体各个区域的运动情况以及与其生物学功能的关系尚需要进一步研究。本研究将分别采用多模板同源模建、结构叠落（structure superposition）、高斯网络模型（Gaussian network model，简称GNM）和各向异性网络模型（anisotropic network model，简称ANM）方法对上述重要科学问题进行阐述。

1 体系与方法

1.1 完整HIV-1 IN四聚体结构的模建

IN四聚体总的模建策略是先通过组装PDB数据库中的不同片段的晶体结构来获得全长二聚体结构，再通过结构组装成完整四聚体。具体模建过程如下：CCD的结构从1BL3[17]的A、C链得到，Mg2+的位置与1BL3中的一致；通过叠落1WJA[18]和上一步得到的CCD，得到二聚体NTD；最后，采用包含CCD、CTD的1EX4[19]搭建得到二聚体的CTD。结构中缺失的残基使用Discovery Studio 2.5程序补全，最后得到完整的IN二聚体模型。通过与1K6Y[20]进行结构叠落，最终得到完整的四聚体模型。采用分子优化方法将四聚体模型进行长时间的结构优化，修复一些不合理的结构。

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