Cell | 揭开HIV-1病毒衣壳突破核孔复合体之谜

HIV-1是导致全球艾滋病流行的主要致病病毒，深入探究其感染机制是开发有效治疗策略的关键。HIV-1感染的核心步骤之一是将其遗传物质运输到宿主细胞核内，并成功整合到宿主的基因组中。然而，宿主细胞核由双层膜包裹，只有核孔复合体（nuclear pore complex,NPC）能够选择性地控制物质的进出，这为HIV-1的核内入侵构成了一个重大的障碍。

NPC是生物体内最大的蛋白质复合物之一，由约30种核孔蛋白（Nups）组成，这些蛋白共同构成了一个动态且高度选择性的屏障。分子生物学研究表明，大多数病毒会在细胞质中解包衣壳，暴露出遗传物质，并通过与核定位信号（NLS）相互作用的小分子复合物穿越NPC。然而，HIV-1的行为却不同寻常：其锥形衣壳在细胞质中保持完整，直到进入细胞核后才完成解包。更为困惑的是，HIV衣壳的尺寸远大于NPC的选择性过滤阈值，这意味着其穿越机制具有独特性。

近年来，关于HIV如何与NPC相互作用的研究取得了显著进展。已有证据表明，HIV衣壳与NPC的FG重复区域（FG-Nups）之间存在直接的相互作用。然而，病毒如何在保持衣壳完整的情况下突破NPC进入细胞核，仍然是一个尚未解答的谜题。

2025年1月17日，马克斯·普朗克研究所的Martin Beck和Gerhard Hummer以及海德堡大学的Hans-Georg Krausslich联合在Cell期刊上发表了文章Passage of the HIV capsid cracks the nuclear pore。研究表明，HIV-1衣壳并非被动地“通过”核孔，而是依靠自身的几何形状和力学特性，利用“裂开”核孔的方式实现跨膜运输。

作者设计了一套多层次的研究方法，从细胞结构观察到分子力学模拟，旨在揭示HIV衣壳与核孔之间相互作用的细节。1. 冷冻电子断层扫描（Cryo-ET）：捕捉HIV穿越核孔的全过程

作者在感染HIV-1的原代人巨噬细胞中，利用Cryo-ET技术拍摄了细胞核孔的高分辨率三维图像，从接近自然状态下观察病毒衣壳如何接近、停留，并最终穿越核孔复合体（NPC）。通过对数百个核孔的拍摄，并结合模板匹配和亚断层平均（sub-tomogram averaging, STA）技术，作者构建了NPC的详细结构图。结果显示，与未感染的细胞相比，感染细胞的NPC呈现出明显的“裂开”状态，且这种裂开现象主要集中在FG-Nups区域，表现出局部的形状变形。进一步的观察表明，裂开的NPC与病毒衣壳密切接触，似乎是病毒衣壳穿越核孔的直接结果。

2. 分子动力学模拟（MD）：探索机械力如何影响NPC

为了分析HIV衣壳施加的力如何导致NPC裂开，作者构建了一个分子动力学模拟模型，重新构建了HIV衣壳与NPC的相互作用过程。模拟结果表明，HIV衣壳的锥形几何结构能够产生足够的径向压力，使NPC的某些关键区域发生形变，甚至短暂裂开。这一力学过程得到了FG-Nups柔性特性的支持，在压力作用下，FG-Nups发生了重排，形成了一个“临时通道”，使衣壳能够顺利通过。

3. 分子实验验证：验证裂开的分子基础

为了验证裂开现象的分子机制，研究者通过Western blot和免疫荧光技术进一步分析了裂开NPC中FG-Nups的动态变化。结果表明，在HIV衣壳与NPC的相互作用过程中，FG-Nups不仅表现出扩展状态，还显著增强了与衣壳的结合强度。这些变化为裂开现象的发生提供了分子基础，揭示了FG-Nups在HIV穿越核孔过程中的关键作用。

综上所述，研究结果表明，HIV衣壳在穿越NPC时施加机械力，迫使NPC产生局部裂开，从而为病毒提供进入细胞核的通道。FG-Nups的柔性特性及其与衣壳的相互作用，使其成为裂开的主要响应区域。病毒衣壳通过调控FG-Nups的扩展与重排实现穿越。这一突破性发现颠覆了传统的NPC认知，并为抗病毒治疗提供了新的思路和方向。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.12.008

本期编辑：Chem LT