Cell Host & Microbe | 张金伟团队合作发现宿主tRNA调控HIV Gag膜定位的结构机制

相比引起COVID-19的病原体SARS-CoV2，针对造成艾滋病的HIV 病毒的有效疫苗开发目前还是遥遥无期。在有效的HIV疫苗开发之前，在分子层面深度了解HIV的复制机制以及病毒-宿主的相互作用是目前推进对HIV感染和艾滋病的诊断和治疗的主要途径。类似SARS-CoV2 病毒， HIV的基因组也由单链RNA构成。区别在于SARS-CoV2 是正链RNA病毒，基因组直接作为翻译模版编码病毒蛋白；HIV则属于逆转录RNA病毒 (retrovirus)，其RNA基因组要首先逆转录成双链DNA，入核后整合到宿主染色体内，然后由宿主的RNA聚合酶II实现转录并剪接， 随后转运到胞浆实现翻译，最后由Gag蛋白携带新的RNA基因组定位到细胞质膜区域起始下一代病毒颗粒的组装。

Gag（p55）是HIV的主要结构蛋白，包括基质（matrix, MA）、衣壳（capsid, CA）、 核衣壳（nucleocapsid, NC）以及p6 四个主要的结构域。其中N 端的基质蛋白负责Gag的细胞膜定位，并主导新的病毒颗粒组装。基质的膜定位功能主要依赖此蛋白表面的一个正电密集区域 (Highly Basic Region, HBR) 以及附近的N 端的疏水性肉豆蔻酸 (myristate) 修饰，以共同完成Gag的膜定位。HIV感染后期， 由病毒mRNA翻译产生的Gag 蛋白的胞内浓度不断提高，逐渐引起Gag多聚体的形成，导致基质N 端原来隐藏在基质蛋白内部的肉豆蔻酸开始暴露在蛋白表面，并配合临近正电密集区域开始定位Gag于细胞质膜内叶，起始新的病毒颗粒组装【1】。为了实现下一代病毒的RNA基因组组装，HIV主要依赖 Gag 的核衣壳蛋白区域辨识并结合HIV的RNA 基因组。除核衣壳，近年来研究表明N端的基质蛋白也是一个RNA结合蛋白。然而基质蛋白是否具有结合或者辨识RNA的特异性一直不明确。2014年， 洛克菲勒大学的Paul Bieniasz研究组通过ChIP-Seq分析发现基质蛋白在HIV感染的细胞内主要和宿主的tRNA发生交联【2】。然而， Gag 具体如何结合tRNA，结合有无特异性，以及Gag-tRNA 相互作用的生物学意义一直不明确【3】。

2021年8月11日，美国国立卫生研究院（NIH）研究员张金伟研究组 (https://www-mslmb.niddk.nih.gov/zhang/zhanglab.html) 与洛克菲勒大学Paul Bieniasz研究组在Cell Host & Microbe杂志上联合发表文章 HIV-1 Matrix-tRNA complex structure reveals basis for host control of Gag localization，解析了首个HIV基质蛋白和宿主tRNA的共晶体结构， 首次揭示了Gag蛋白特异辨识tRNA的分子基础，并通过等温滴定量热，荧光光谱，超速离心，核磁共振等多种生物物理手段揭示了基质蛋白结合RNA的特异性。研究人员同时使用病毒学分析，细胞内交联免疫沉淀，活细胞成像分析等手段发现缺失结合tRNA能力的Gag蛋白因为过早定位于于细胞质膜，引起了HIV在多种细胞系内的复制缺陷。因此，HIV通过操控宿主tRNA实现对自身的主要结构蛋白的膜定位调控，并以此延迟和优化病毒颗粒组装，以实现高效可控的病毒复制。

a. 野生型HIV-1 感染细胞后，WT Gag 利用结合宿主的tRNA暂时阻断Gag 定向到细胞质膜，以延缓HIV-1病毒颗粒组装，等待包括病毒蛋白翻译，基因组组装，去除抗病毒蛋白等步骤的完成。b.携带基质蛋白单突变体的Gag无法结合tRNA，造成Gag的提前质膜定位和颗粒组装，产生部分没有感染力的病毒，降低了整体复制效率。

几十年来，很多研究组注意到HIV基质能结合细胞内的核酸。然而在此项工作之前，多数研究人员认为tRNA和基质的结合由正负电荷匹配驱动，并不具有任何特异性和选择性。因为tRNA分子携带大量负电可以自然结合基质的正电密集区域（HBR），其他的RNA也可以同样结合基质。此项工作首次揭示并证明了HIV基质对tRNA的结构有明确和显著的特异性，并且结合仅仅依赖正电密集区域 （共约16个残基）内的3个正电残基（R22, K27, K32）和一个芳香残基（W36）。基质-tRNA的复合体结构揭示，HIV在Gag N端的基质区域通过和宿主的长期接触和自然选择，逐渐进化了特异结合宿主tRNA 臂肘 （elbow）结构的能力。tRNA的臂肘结构由D-loop和T-loop结构互补镶嵌产生，是tRNA独有的表面结构特征。该结构也是胺酰tRNA合成酶 （aminoacyl-tRNA synthetase， aaRS），核糖体，RNase P，以及T-box核酸开关 （T-box riboswitches）识别tRNA的主要位点之一【4-9】。携带K32A 或者 W36A 点突变的Gag蛋白无法结合tRNA，造成Gag蛋白过早定位到细胞质膜，并且引起显著复制缺陷。

a.HIV基质蛋白和宿主tRNA的共晶体结构。b. HIV 基质主要依赖4个残基（红色）实现特异辨识tRNA 的臂肘 （elbow）结构。c. 野生型Gag平衡分布在细胞质膜和胞浆；结合tRNA缺陷的Gag基本完全定位到质膜。d. 不能结合tRNA的Gag突变引起显著的HIV-1病毒复制缺陷。

整体而言，这项研究发现HIV-1不仅利用宿主tRNA作为病毒基因组逆转录的必要引物，并且通过操纵tRNA实现对病毒颗粒组装和复制的时间和空间调控。这一新发现的HIV基质-tRNA臂肘的病毒-宿主界面有助于开发新一代的抗HIV的小分子或者RNA药物。

此项研究工作主要由NIH张金伟实验室博士后Charles Bou-Nader 和 洛克菲勒大学Paul Bieniasz实验室博士后Frauke Muecksch完成。张金伟研究员和Paul Bieniasz 教授为共同通讯作者，并得到马里兰大学Michael Summers 教授实验室支持。

 

课题组招聘和张金伟研究员简介：

 

张金伟课题组（https://www-mslmb.niddk.nih.gov/zhang/zhanglab.html）长期致力于复杂非编码核糖核酸的结构生物学前沿研究，主要开发和使用RNA设计和改造，RNA晶体学，冷冻电镜，X 射线自由电子激光，单分子荧光以及荧光寿命等多种生物物理和生物化学技术。张金伟研究员本科毕业于北京大学生命科学学院，在美国威斯康星大学获得博士学位，实验室位于美国国立卫生研究院主校区分子生物学实验室。研究工作主要发表在Nature, Cell, Nat Struct & Mol Biol, Mol Cell, Cell Host & Microbe, Nat Commun 等国际著名期刊。课题组长期邀请对RNA结构生物学和生物物理有兴趣的青年学者加盟团队或者探讨课题。

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原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.chom.2021.07.006

制版人：十一

参考文献

1. Tang, C.; Loeliger, E.; Luncsford, P.; Kinde, I.; Beckett, D.; Summers, M. F., Entropic switch regulates myristate exposure in the HIV-1 matrix protein. Proc Natl Acad Sci U S A 2004, 101, (2), 517-22.

2. Kutluay, S. B.; Zang, T.; Blanco-Melo, D.; Powell, C.; Jannain, D.; Errando, M.; Bieniasz, P. D., Global changes in the RNA binding specificity of HIV-1 gag regulate virion genesis. Cell 2014, 159, (5), 1096-1109.

3. Todd, G. C.; Duchon, A.; Inlora, J.; Olson, E. D.; Musier-Forsyth, K.; Ono, A., Inhibition of HIV-1 Gag-membrane interactions by specific RNAs. RNA 2017, 23, (3), 395-405.

4. Suddala, K. C.; Zhang, J., High-affinity recognition of specific tRNAs by an mRNA anticodon-binding groove. Nat Struct Mol Biol 2019, 26, (12), 1114-1122.

5. Li, S.; Su, Z.; Lehmann, J.; Stamatopoulou, V.; Giarimoglou, N.; Henderson, F. E.; Fan, L.; Pintilie, G. D.; Zhang, K.; Chen, M.; Ludtke, S. J.; Wang, Y. X.; Stathopoulos, C.; Chiu, W.; Zhang, J., Structural basis of amino acid surveillance by higher-order tRNA-mRNA interactions. Nat Struct Mol Biol 2019, 26, (12), 1094-1105.

6. Reiter, N. J.; Osterman, A.; Torres-Larios, A.; Swinger, K. K.; Pan, T.; Mondragon, A., Structure of a bacterial ribonuclease P holoenzyme in complex with tRNA. Nature 2010, 468, (7325), 784-9.

7. Zhang, J.; Ferré-D'Amaré, A. R., The tRNA Elbow in Structure, Recognition and Evolution. eLife (Basel) 2016, 6, (1).

8. Wu, J.; Niu, S.; Tan, M.; Huang, C.; Li, M.; Song, Y.; Wang, Q.; Chen, J.; Shi, S.; Lan, P.; Lei, M., Cryo-EM Structure of the Human Ribonuclease P Holoenzyme. Cell 2018, 175, (5), 1393-1404 e11.

9. Zhang, J., Unboxing the T-box riboswitches-A glimpse into multivalent and multimodal RNA-RNA interactions. Wiley Interdiscip Rev RNA 2020, 11, (6), e1600.

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