最近，北京大学工学院生物医学工程系陈匡时 (Antony K. Chen) 实验室利用超高分辨率技术揭示了 HIV 病毒颗粒的组装机制。该研究成果以以自由投稿 (DIRECT SUBMISSION) 形式发表于《美国国家科学院院报》（PNAS)，题目为“Roles of Gag-RNA interactions in HIV-1 virus assembly deciphered by single-molecule localization microscopy”。
前人的研究显示，RNA- 蛋白交互作用是 HIV 病毒颗粒在宿主细胞膜上顺利形成的必要条件。Gag 是 HIV 病毒的结构蛋白，其 nucleocapsid(NC)结构域与 HIV- 1 病毒 RNA 通过静电作用结合并以病毒 RNA 为支架在宿主细胞膜上大量聚合，最终形成含有数千个 Gag 蛋白的病毒颗粒。虽然研究者已经通过传统显微手段揭示病毒颗粒出芽所需要的条件，但是由于病毒颗粒的直径仅约 150 纳米 (nm)，以及传统显微技术分辨率的限制(~250 nm)，无法通过实验手段在分子层面上明确阐明病毒的组装机制。
光敏荧光显微技术 (Photoactivated Localization Microscopy, PALM) 是一种超高分辨率成像技术，可在固定细胞以及活细胞的表面提供约~20nm 的分辨率。通过 PALM 技术结合生化等手段，陈匡时实验室发现 HIV-1 Gag 蛋白在 HIV- 1 病毒 RNA 是以二或三聚体为单位进行组装的，而 HIV- 1 病毒 RNA 在 Gag 不同的多聚化阶段扮演着不同的角色。在初始阶段，通过静电力作用 RNA 结合并促使 Gag 形成二聚体、三聚体，从而多聚化在细胞膜上形成紧密的组装结构；在组装后期，病毒 RNA 控制 Gag 的大量聚合从而使组装平台的密度保持稳定。在这两个阶段中，病毒 RNA 平衡着驱使 Gag 离散与紧密组装的力，维持组装平台的稳定。该研究首次在纳米尺度下揭示病毒 RNA 组织以及调控病毒颗粒完整的组装过程，为有关 HIV- 1 和其他逆转录病毒的研究提供了新的研究角度。
病毒 RNA 与 Gag 蛋白在 A)细胞中以及 B)颗粒中的成像。 C)PALM 成像 Gag 在细胞膜上的分布。（Scale bar=500nm）D)病毒组装平台的密度与大小关系。 E)病毒组装平台的密度变化与平台大小的关系。当平台生长到 63nm 时，平台密度的变化最大。
病毒 RNA 在细胞膜上促进 Gag 蛋白组装模型
该工作的第一作者是杨艳涛。曲娜、谭洁以及北京大学 / 佐治亚理工 / 埃默里大学生物医学工程联合博士培养项目的 Muaz N. Rushdi 和 Christopher J. Krueger 为工作的顺利完成作出重要贡献。通讯作者为陈匡时特聘研究员。此项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及青年千人启动经费的支持。
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Roles of Gag-RNA interactions in HIV-1 virus assembly deciphered by single-molecule localization microscopy |
