《科学》杂志今日发表了一篇关于HIV研究的重要论文。美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）和犹他大学（University of Utah）的科学家们合作，构建了一个无细胞的体系，首次让HIV在体外依次完成逆转录和整合。通过这个无细胞的体系，科学家们得以更好地观察对于HIV感染而言至关重要的两个步骤。他们也发现病毒的衣壳（capsid）在这两个步骤中扮演的全新角色。

 

作为一种逆转录病毒，HIV能将自己的病毒RNA基因组逆转录为双链的DNA，并整合入所感染细胞的基因组内。过去几十年，科学家们通过一系列结构、生化、以及分子病毒学的分析，已经阐明了参与这些步骤的多个酶反应。但由于这些病毒颗粒深藏于细胞质与细胞核中，很难对其进行机制上的研究。这也是为何科学家们想要开发一个“无细胞”的体系。

先前，也有一些体外实验可以研究逆转录，或是整合的步骤，但这些实验一次只能观察一个步骤。而在本研究中，科学家们设计和优化的体系可以连续观察这两个步骤。

▲连续观察HIV-1基因组逆转录和整合的体外无细胞体系（图片来源：参考资料[1]）

具体来看，他们纯化了HIV-1病毒体，使用能穿孔的多肽，在病毒包膜上“打”了一些小洞。随后，他们添加了一些dNTPs，促使逆转录的发生。实验中，科学家们成功观察到了双链DNA的积累。随后，科学家们往实验体系中添加了细胞提取物，重现了病毒DNA整合入外源DNA的过程。测序结果确认病毒DNA整合的方式与预期一致。

有意思的是，在确认哪些要素对于病毒的逆转录和整合起到关键作用的时候，一个意想不到的结果出现在科学家们面前——HIV的衣壳。从结构上看，衣壳是包裹在病毒遗传物质外的一层保护。但这篇论文发现，衣壳在病毒感染的过程中，起到了更为主动的作用。

▲HIV的衣壳（黄色和紫色所示）包裹着病毒的RNA（蓝色所示）（图片来源：参考资料[2]；Credit：Janet Iwasa）

通过遗传学或生物化学的方法，研究人员们发现，如果衣壳变得不稳定，病毒就无法通过逆转录来复制自己的遗传物质。这也是科学家们首次直接表明，衣壳是HIV感染的重要元件。

俗话说眼见为实。为了看清衣壳如何参与到了HIV感染的过程，研究人员们使用冷冻电镜技术，看到在逆转录的过程中，衣壳大部分都保持完整。在逆转录发生的8-10个小时后，研究人员们依旧可以观察到大型的完整衣壳结构，且病毒的核酸从衣壳的网状晶格结构中排出。这一时间段恰好是逆转录产物积聚到峰值，发生整合的时间。

▲冷冻电镜和分子建模技术让我们有机会以前所未有的细节看清病毒（图片来源：参考资料[2]；Credit：Owen Pornillos, Barbie Ganser-Pornillos）

“这和教科书上写的不一样，”本研究的通讯作者之一Wesley I. Sundquist教授说道，“我们的数据显示病毒的衣壳在支持有效的逆转录方面，扮演了主动且不可或缺的角色。”

研究人员们指出，这项研究在无细胞的体系中重塑了HIV的逆转录和整合，并表明病毒的衣壳在其中起到了重要的作用。与先前的理解不同，它不仅能保护病毒基因组，让病毒跨越细胞质，进入细胞核，接近整合位点，它还是逆转录过程的关键。

对于针对衣壳蛋白的在研HIV药物来说，这项研究表明它们可能起效。而这个无细胞体系的建立，也有助于未来对HIV感染的关键步骤进行更详尽的研究，找到阻止HIV的全新方法。

参考资料：

[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