Các protein HIV chủ chốt thực hiện chức năng để hình thành virus truyền nhiễm
- Thứ hai - 01/08/2022 09:58
- In ra
- Đóng cửa sổ này
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Viện Salk và Đại học Rutgers đã xác định được cấu trúc phân tử của HIV Pol, một loại protein đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn...
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Viện Salk và Đại học Rutgers đã xác định được cấu trúc phân tử của HIV Pol, một loại protein đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn cuối quá trình nhân bản của HIV, quá trình vi rút tự nhân lên và lây lan trong cơ thể. Quan trọng hơn, việc xác định cấu trúc phân tử giúp trả lời các câu hỏi về cách protein tự phân chia để thúc đẩy quá trình nhân bản.
Hiểu được cách thức HIV nhân bản trong tế bào là chìa khóa để phát triển các phương pháp điều trị mới có thể giúp ích cho gần 40 triệu người trên toàn cầu đang sống chung với HIV. Phát hiện mới cho thấy một lỗ hổng trong virus có thể được nhắm tới bằng thuốc. “Cấu trúc cung cấp thông tin về chức năng và những phát hiện thu được từ việc trực quan hóa cấu trúc phân tử của Pol mang lại cho chúng tôi hiểu biết mới về cơ chế mà HIV nhân lên ”, Phó giáo sư - Tiến sĩ Dmitry Lyumkis tại Phòng thí nghiệm Di truyền, kiêm Chủ tịch phát triển Quỹ Hearst tại Salk phát biểu. Lyumkis cũng là đồng tác giả của bài báo được xuất bản trên tạp chí Science với tiêu đề “Cấu trúc Cryo-EM của polyprotein HIV-1 Pol cung cấp thông tin chi tiết về quá trình trưởng thành của virion.”
Các nhà nghiên cứu giải thích: “Nhiều sản phẩm gen của RNA virus ban đầu được dịch ra dưới dạng các polyprotein tiền thân, sau đó được phân cắt để tạo ra các protein trưởng thành đóng vai trò cấu trúc hoặc enzym.” Các nhà khoa học trước đây đã biết rằng polyprotein Pol của HIV phân chia thành ba loại enzyme — một protease (PR, enzyme thủy phân protein), một reverse transcriptase (RT, enzyme phiên mã ngược) và một integrase (IN, enzyme tích hợp) – chúng kết hợp cùng nhau để tạo ra dạng hoàn chỉnh của virus.
Protease đóng vai trò quan trọng trong việc bắt đầu quá trình này bằng cách cắt nhỏ phân tử để phân tách các thành phần khác. Tuy nhiên, trước đây người ta vẫn chưa biết protease tự phân hủy bằng cách nào, trước tiên là từ polyprotein HIV Gag-Pol lớn và sau đó tới HIV Pol. “Trong HIV-1, ban đầu các protein cấu trúc được dịch mã như một phần của polyprotein Gag, trong khi các enzym cho phép virus nhân lên và lây lan được tổng hợp như một phần của các polyprotein tiền thân của Gag-Pol. Cả hai polyprotein đều bị phân cắt bởi protease của virus (PR), được tổng hợp như một phần của Gag-Pol trong quá trình trưởng thành,” các nhà nghiên cứu cho biết.
Tuy nhiên, họ cũng đề cập thêm, người ta còn biết tương đối ít về tổ chức phân tử của phần Pol trong polyprotein Gag-Pol hoặc các dạng chưa trưởng thành của các enzym virus. “Điều này một phần là do không có các hệ thống có thể sản xuất và tinh chế hiệu quả một lượng lớn các polyprotein HIV-1 Gag-Pol hoặc Pol cho các nghiên cứu cấu trúc và sinh lý.”
Nghiên cứu mới cho thấy protease bắt đầu quá trình này bằng cách tự phân cắt hoặc tự cắt ra khỏi phần còn lại của phân tử, và được hỗ trợ bởi reverse transcriptase và cũng có thể là integrase.
Trong nghiên cứu, nhóm đã sử dụng Cryo-EM, một kỹ thuật hình ảnh mà Lyumkis đã có những đóng góp quan trọng, để tìm ra cấu trúc ba chiều của phân tử protein HIV Pol. Từ đó, nhóm phát hiện ra rằng Pol là một dimer, nghĩa là nó được hình thành bởi hai protein liên kết với nhau. Phát hiện này gây bất ngờ vì các protein virus tương tự khác là các tổ hợp protein đơn.
Tiến sĩ Jerry Joe Harrison, giảng viên cao cấp tại Đại học Ghana và cũng là đồng tác giả đầu của bài báo cho biết: “Thách thức đầu tiên là tạo ra một phiên bản ổn định của HIV Pol để có thể phân tích, điều này chưa từng được báo cáo trước đây.” Các tác giả lưu ý, "Chúng tôi đã phát triển một hệ thống để tạo ra HIV-1 Pol ổn định và xác định cấu trúc cry-em của nó." Đồng tác giả Tiến sĩ Eddy Arnold, giáo sư của hội đồng quản trị và giáo sư xuất sắc tại Trung tâm Công nghệ Sinh học và Y học Tiên tiến tại Đại học Rutgers, lưu ý, “Đây là một mảnh ghép còn thiếu quan trọng để trả lời câu hỏi về cấu trúc HIV”.
Nhóm đã chỉ ra rằng trong cấu trúc hai mặt này, thành phần protease của Pol được "liên kết lỏng lẻo" với thành phần sao chép ngược trong một cấu hình liên kết giữ cho protease linh hoạt một chút. "Nó giữ protease ở độ dài của cánh tay, một cách lỏng lẻo và chúng tôi tin rằng nhờ đó protease có thể chuyển động, do đó cho phép nó có khả năng cắt các polyprotein, điều kiện tiên quyết cho sự trưởng thành của virus," đồng tác giả đầu, Tiến sĩ Dario Passos, một nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Lyumkis tại Salk cho biết. "Các phương pháp điều trị HIV hiện tại bao gồm nhiều loại chất ức chế cho cả ba loại enzym và khám phá cũng cho thấy lỗ hổng mới có thể được nhắm mục tiêu bằng thuốc."
Arnold nhận xét: “Người ta đã biết (nhưng không hiểu) rằng có sự kết hợp giữa các enzym này trước khi HIV Pol phân hủy. Trực quan hóa cấu trúc HIV Pol là lời giải thích cơ bản cho cơ chế phức tạp này.”
Các tác giả kết luận, “… cấu trúc cryo-EM của chúng tôi chỉ ra rằng PR có thể hình thành dimer trong khi là một phần của Pol… Cùng với đó, sự trưởng thành của HIV-1 sử dụng mặt trung gian dimer trong phần RT của Pol để điều chỉnh sự trưởng thành của tiền chất polyprotein. ”
Theo các tác tác giả, khám phá này mở ra cánh cửa cho các nghiên cứu quan trọng tiếp theo, bao gồm các nghiên cứu về cấu trúc của polyprotein Gag-Pol lớn hơn và phức tạp hơn cũng tham gia vào quá trình lắp ráp virus, đồng thời xem xét kỹ hơn vai trò của integrase trong quá trình trưởng thành của vi rút HIV trong quá trình nhân bản.
Nguồn: https://www.genengnews.com/virology/hiv/study-shows-how-key-hiv-protein-functions-to-form-infectious-virus/
Hiểu được cách thức HIV nhân bản trong tế bào là chìa khóa để phát triển các phương pháp điều trị mới có thể giúp ích cho gần 40 triệu người trên toàn cầu đang sống chung với HIV. Phát hiện mới cho thấy một lỗ hổng trong virus có thể được nhắm tới bằng thuốc. “Cấu trúc cung cấp thông tin về chức năng và những phát hiện thu được từ việc trực quan hóa cấu trúc phân tử của Pol mang lại cho chúng tôi hiểu biết mới về cơ chế mà HIV nhân lên ”, Phó giáo sư - Tiến sĩ Dmitry Lyumkis tại Phòng thí nghiệm Di truyền, kiêm Chủ tịch phát triển Quỹ Hearst tại Salk phát biểu. Lyumkis cũng là đồng tác giả của bài báo được xuất bản trên tạp chí Science với tiêu đề “Cấu trúc Cryo-EM của polyprotein HIV-1 Pol cung cấp thông tin chi tiết về quá trình trưởng thành của virion.”
Các nhà nghiên cứu giải thích: “Nhiều sản phẩm gen của RNA virus ban đầu được dịch ra dưới dạng các polyprotein tiền thân, sau đó được phân cắt để tạo ra các protein trưởng thành đóng vai trò cấu trúc hoặc enzym.” Các nhà khoa học trước đây đã biết rằng polyprotein Pol của HIV phân chia thành ba loại enzyme — một protease (PR, enzyme thủy phân protein), một reverse transcriptase (RT, enzyme phiên mã ngược) và một integrase (IN, enzyme tích hợp) – chúng kết hợp cùng nhau để tạo ra dạng hoàn chỉnh của virus.
Protease đóng vai trò quan trọng trong việc bắt đầu quá trình này bằng cách cắt nhỏ phân tử để phân tách các thành phần khác. Tuy nhiên, trước đây người ta vẫn chưa biết protease tự phân hủy bằng cách nào, trước tiên là từ polyprotein HIV Gag-Pol lớn và sau đó tới HIV Pol. “Trong HIV-1, ban đầu các protein cấu trúc được dịch mã như một phần của polyprotein Gag, trong khi các enzym cho phép virus nhân lên và lây lan được tổng hợp như một phần của các polyprotein tiền thân của Gag-Pol. Cả hai polyprotein đều bị phân cắt bởi protease của virus (PR), được tổng hợp như một phần của Gag-Pol trong quá trình trưởng thành,” các nhà nghiên cứu cho biết.
Tuy nhiên, họ cũng đề cập thêm, người ta còn biết tương đối ít về tổ chức phân tử của phần Pol trong polyprotein Gag-Pol hoặc các dạng chưa trưởng thành của các enzym virus. “Điều này một phần là do không có các hệ thống có thể sản xuất và tinh chế hiệu quả một lượng lớn các polyprotein HIV-1 Gag-Pol hoặc Pol cho các nghiên cứu cấu trúc và sinh lý.”
Nghiên cứu mới cho thấy protease bắt đầu quá trình này bằng cách tự phân cắt hoặc tự cắt ra khỏi phần còn lại của phân tử, và được hỗ trợ bởi reverse transcriptase và cũng có thể là integrase.
Trong nghiên cứu, nhóm đã sử dụng Cryo-EM, một kỹ thuật hình ảnh mà Lyumkis đã có những đóng góp quan trọng, để tìm ra cấu trúc ba chiều của phân tử protein HIV Pol. Từ đó, nhóm phát hiện ra rằng Pol là một dimer, nghĩa là nó được hình thành bởi hai protein liên kết với nhau. Phát hiện này gây bất ngờ vì các protein virus tương tự khác là các tổ hợp protein đơn.
Tiến sĩ Jerry Joe Harrison, giảng viên cao cấp tại Đại học Ghana và cũng là đồng tác giả đầu của bài báo cho biết: “Thách thức đầu tiên là tạo ra một phiên bản ổn định của HIV Pol để có thể phân tích, điều này chưa từng được báo cáo trước đây.” Các tác giả lưu ý, "Chúng tôi đã phát triển một hệ thống để tạo ra HIV-1 Pol ổn định và xác định cấu trúc cry-em của nó." Đồng tác giả Tiến sĩ Eddy Arnold, giáo sư của hội đồng quản trị và giáo sư xuất sắc tại Trung tâm Công nghệ Sinh học và Y học Tiên tiến tại Đại học Rutgers, lưu ý, “Đây là một mảnh ghép còn thiếu quan trọng để trả lời câu hỏi về cấu trúc HIV”.
Nhóm đã chỉ ra rằng trong cấu trúc hai mặt này, thành phần protease của Pol được "liên kết lỏng lẻo" với thành phần sao chép ngược trong một cấu hình liên kết giữ cho protease linh hoạt một chút. "Nó giữ protease ở độ dài của cánh tay, một cách lỏng lẻo và chúng tôi tin rằng nhờ đó protease có thể chuyển động, do đó cho phép nó có khả năng cắt các polyprotein, điều kiện tiên quyết cho sự trưởng thành của virus," đồng tác giả đầu, Tiến sĩ Dario Passos, một nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Lyumkis tại Salk cho biết. "Các phương pháp điều trị HIV hiện tại bao gồm nhiều loại chất ức chế cho cả ba loại enzym và khám phá cũng cho thấy lỗ hổng mới có thể được nhắm mục tiêu bằng thuốc."
Arnold nhận xét: “Người ta đã biết (nhưng không hiểu) rằng có sự kết hợp giữa các enzym này trước khi HIV Pol phân hủy. Trực quan hóa cấu trúc HIV Pol là lời giải thích cơ bản cho cơ chế phức tạp này.”
Các tác giả kết luận, “… cấu trúc cryo-EM của chúng tôi chỉ ra rằng PR có thể hình thành dimer trong khi là một phần của Pol… Cùng với đó, sự trưởng thành của HIV-1 sử dụng mặt trung gian dimer trong phần RT của Pol để điều chỉnh sự trưởng thành của tiền chất polyprotein. ”
Theo các tác tác giả, khám phá này mở ra cánh cửa cho các nghiên cứu quan trọng tiếp theo, bao gồm các nghiên cứu về cấu trúc của polyprotein Gag-Pol lớn hơn và phức tạp hơn cũng tham gia vào quá trình lắp ráp virus, đồng thời xem xét kỹ hơn vai trò của integrase trong quá trình trưởng thành của vi rút HIV trong quá trình nhân bản.
Nguồn: https://www.genengnews.com/virology/hiv/study-shows-how-key-hiv-protein-functions-to-form-infectious-virus/