分子信标方法研究HIV-1整合酶3'加工反应动力学

HIV-1整合酶催化病毒cDNA与宿主细胞基因组DNA的整合,是病毒在宿主细胞中增殖的一个关键酶.3'加工是整合酶催化整合过程的第一步反应,3'加工反应动力学的研究对整合酶催化机理研究和以整合酶为靶点的药物研发都具有重要意义.构建了野生型HIV-1整合酶重组质粒,在大肠杆菌BL21中诱导表达,通过对包涵体变性、复性,纯化得到了整合酶蛋白.基于分子信标原理,设计了荧光和淬灭基团标记的DNA底物,通过荧光信号实时监测3'加工反应,对酶反应的动力学性质进行研究.结果表明,纯化的整合酶蛋白具有较高的活性,酶反应表现出显著的Mg2+偏好性.酶动力学研究(Km=131.79 nmol/L,Kcat=0.0042 min-1)表明,该分子信标方法和设计的DNA底物可用于整合酶3'加工反应动力学研究以及酶反应性质的研究.     

用分子模拟方法研究HIV-1整合酶突变体的耐药性机理

二酮酸类化合物(DKAs)是目前最有前景的HIV-1整合酶(integrase, IN)抑制剂．为了解DKAs引起的多种耐药株共有的耐药性机理,选择3种S-1360引起的IN耐药突变体,用分子对接和分子动力学模拟,研究了野生型和突变型IN与S-1360的结合模式,基于该结合模式探讨了3种耐药突变体所共有的耐药性机理．结果表明：在突变体中,S-1360结合到耐药突变IN核心区中的位置靠近功能loop 3区却远离与 DNA结合的关键残基,结合位置不同导致S-1360的抑制作用部分丧失;残基138到166区域的柔性对IN发挥生物学功能很重要,S-1360能与DNA结合的关键残基N155及K159形成氢键,这2个氢键作用降低了该区域的柔性,突变体中无类似氢键,因而该区域柔性增高;在突变体中,S-1360的苯环远离病毒DNA结合区,不能阻止病毒DNA末端暴露给宿主DNA;T66I突变导致残基Ⅰ的长侧链占据IN的活性口袋,阻止抑制剂以与野生型中相同的方式结合到活性中心,这均是产生抗药性的重要原因．这些模拟结果与实验结果吻合,可为抗IN的抑制剂设计和改造提供帮助．     

HIV-1整合酶链转移反应抑制剂的荧光筛选方法

整合酶被认为是抗HIV-1药物研究的理想靶点之一。为了建立便捷高效的整合酶链转移反应抑制剂筛选方法,首先将HIV-1整合酶原核表达载体pNL-IN转化入大肠杆菌感受态细胞BL21(DE3)进行原核表达,并用镍琼脂糖凝胶进行亲和纯化,获得了纯度和活性均较高的整合酶重组蛋白;然后设计了生物素标记的供体DNA和FITC标记的靶DNA,用链霉亲和素磁珠捕获反应体系中的DNA产物;最后用荧光分析仪检测DNA产物的荧光信号,并计算待测样品的抑制率。用已知整合酶抑制剂S-1360和MK-0518对筛选方法进行了验证,测定结果与已有实验数据相当,表明本筛选方法能够有效应用于HIV-1整合酶链转移反应抑制剂的筛选。与现有的整合酶链转移反应抑制剂筛选方法相比,本筛选方法步骤更为简化、耗时更短、成本更低。     

HIV-1整合酶去整合活性高通量检测方法的建立

HIV-1整合酶催化病毒DNA与宿主细胞基因组整合,是病毒复制所需的关键酶之一,也是抗病毒药物研发的重要靶点.IN及其核心结构域均能在体外催化去整合反应.本研究表达纯化了IN和IN-CCD蛋白,建立了一种检测IN和IN-CCD去整合活性的微孔板式高通量方法.设计了生物素和地高辛修饰的去整合DNA底物,运用链亲和素标记的珠子捕获反应产物,再通过酶标地高辛抗体及随后的酶联免疫吸附实验方法对地高辛定量以检测去整合.结果显示,IN和IN-CCD催化的去整合反应信号（A405）分别达到1.6和1.2,而背景信号值低于0.05;IN去整合反应更倾向于使用Mn2＋而不是Mg2＋作为金属辅助离子;研究还发现,已知的IN抑制剂baicalein是IN-CCD抑制剂.以上结果表明,本工作建立的检测方法能高通量、高灵敏度和高特异性地研究去整合反应,并能够应用于以IN为靶点,特别是以IN-CCD为靶点的HIV抑制剂的筛选.     

HIV-1整合酶四聚体结构模拟及其活性位点分析

HIV-1复制需要HIV-1整合酶将其环状DNA整合进宿主DNA中,这其中包括2个重要反应,即“3′-加工”和“链转移”,两者均由HIV-1整合酶催化完成.阻断其中的任一反应,都能达到抑制HIV-1复制的目的.因此,了解HIV-1整合酶的完整结构和聚合状态,对深入探讨其作用机理及设计新型抑制剂具有重要的指导作用.然而,迄今为止仅有HIV-1整合酶单独结构域的晶体结构可供参考,而其全酶晶体结构尚未获得解析.本研究利用分子模拟技术,通过蛋白质 蛋白质/DNA分子对接、动力学模拟等方法,构建了全长整合酶四聚体的结构模型、HIV-1 DNA与整合酶复合物的结构模型,进一步从理论上证实HIV-1整合酶是以四聚体形态发挥催化作用,明确“3′-加工”和“链转移”在HIV-1整合酶上的催化位点.同时,通过与作用机理相似的细菌转座子Tn5转座酶等的结构比对,推测HIV-1整合酶的核心结构域中应有第2个Mg^２＋存在,其位置螯合于Asp64与Glu152之间.在HIV-1整合酶结构研究的基础上,有望进一步设计出新的抗艾滋病药物.     

HIV-1整合酶的功能及其抑制剂的研究进展

I型人类免疫缺陷病毒（human immunodeflciency virustype1,HIV-1）在宿主细胞内经逆转录得到的cDNA,由整合酶（integrase,ry）催化插入到宿主基因组DNA中,该过程称为整合过程。整合是HIV-1复制周期中不可缺少的步骤,对于病毒的复制至关重要,因此对整合酶的抑制能够有效地起到抗HIV的作用。该文综述了整合酶的结构与功能以及目前关于整合酶抑制剂的最新研究进展。     

病毒末端DNA与不同长度HIV-1整合酶四聚体的对接研究(英文)

整合酶(integrase,IN)是HIV病毒复制周期中的一个重要酶,一般认为,IN是以四聚体形式发挥其生物活性。本文用DOT软件包研究了IN四聚体与8个不同长度病毒末端DNA的结合模式,以及病毒DNA长度对二者识别的影响。结果表明,IN有3个DNA结合区域,其中两个是病毒DNA结合区域,另外一个是宿主DNA结合区域。模拟结果与实验数据吻合较好,本研究为基于整合酶结构的药物研发及整合酶整合机理的研究提供了良好的基础。     

HIV-1整合酶蛋白的可溶性表达及功能研究

HIV 1整合酶是HIV病毒复制中一个重要的酶,也是治疗艾滋病药物的一个重要靶点。为了开展以整合酶蛋白为靶点的抑制剂筛选,构建HIV 1整合酶重组质粒,在原核细胞中进行可溶性表达和功能研究。通过重叠PCR技术引入F185K和C280S突变于HIV 1 B亚型标准株的整合酶cDNA片段中,PCR扩增片段克隆到pET 28a(+)表达载体中,构建重组质粒,在E. coli中进行整合酶基因表达,SDS PAGE鉴定表达产物,亲和层析纯化蛋白,酶联免疫吸附实验方法测定整合酶的生物学活性。结果构建的重组质粒获得高效稳定的可溶性表达,ELISA实验证实该蛋白具有整合酶的3′切割DNA和5′链转移的活性。HIV 1整合酶蛋白的可溶性表达和活性研究为建立以整合酶为靶点的抗HIV药物筛选平台打下了基础。     

Sp100与HIV-1整合酶互作并抑制其介导的病毒整合

Sp100是核颗粒ND10的组成蛋白,在哺乳动物细胞中广泛存在．Sp100参与多种细胞生理病理过程,如转录调控、细胞内抗病毒免疫等．利用酵母双杂交系统,我们发现了Sp100的互作蛋白HIV-1整合酶,免疫共沉淀实验进一步证实了Sp100与 HIV-1整合酶的互作,细胞内荧光共定位实验也证实了二者在细胞内部分共定位．此外,突变体实验表明,Sp100的C端300～480氨基酸和HIV-1的催化结构域是两个蛋白质的互作区域．利用siRNA降低细胞内Sp100的表达量,可以增加HIV-1整合酶介导的病毒的整合,反之,细胞内过表达Sp100则会降低HIV-1整合酶介导的病毒的整合．这是首次发现Sp100可以和HIV-1整合酶发生相互作用,并进而抑制病毒的整合．我们发现了Sp100作为HIV-1整合酶互作蛋白的新功能,并扩展了细胞防御病毒感染的相关研究．     

HIV-1整合酶核心区可溶性表达及抑制剂筛选

为了实现HIV-1整合酶蛋白核心区 (central core domain of integrase, IN-CCD) 的可溶性表达,并建立以IN-CCD为靶点的抑制剂体外筛选方法,从包含F185K突变HIV-1 IN基因的质粒中经PCR扩增得到含有F185K突变的IN-CCD基因,克隆到pET28b载体上构建重组质粒pIN-CCD,转化pIN-CCD至E. coli BL21 (DE3)中经IPTG诱导、表达,Ni-亲和层析纯化,获得IN-CCD蛋白。修饰DNA底物,以链亲和素包被的磁珠为载体捕获DNA产物,结合酶联免疫吸附测定法(ELISA)检测IN-CCD的去整合活性,并筛选以IN-CCD为靶点的抑制剂。结果表明重组蛋白IN-CCD实现了高效可溶性表达,纯化后蛋白纯度达95%。建立的ELISA可以检测IN-CCD的去整合活性,且方法特异性和灵敏度好,可以实现高通量抑制剂筛选。从100个样品中筛选得到5个具有初步抑制IN-CCD去整合活性的样品。     

Structural and Dynamical Properties of a Full-length HIV-1 Integrase: Molecular Dynamics Simulations

Abstract

The structural and dynamical properties of the complete full-length structure of HIV-1 integrase were investigated using Molecular Dynamics approach. Simulations were carried out for the three systems, core domain only (CORE), full-length structure without (FULL) and with a Mg²⁺ (FULL+ION) in its active site, aimed to investigate the difference in the molecular properties of the full-length models due to their different construction procedures as well as the effects of the two ends, C- and N-terminal, on those properties in the core domain. The full-length structure was prepared from the two experimental structures of two-domain fragment. The following properties were observed to differ significantly from the previous reports: (i) relative topology formed by an angle between the three domains; (ii) the cavity size defined by the catalytic triad, Asp64, Asp116, and Glul52; (iii) distances and solvation of the Mg²⁺; and (iv) conformation of the catalytic residues. In addition, the presence of the two terminal domains decreases the mobility of the central core domain significantly.     

HIV-1整合酶核心区野生型和F185K突变型活性和溶解性的比较及分子动力学模拟分析

表达纯化了野生型(WT)及F185K突变型HIV-1整合酶核心区蛋白(IN_C),并对二者的溶解性和活性进行了比较．实验结果表明：F185K 突变后IN_C溶解性显著提高,活性有一定程度降低．对WT和F185K IN_C体系进行了1800 ps的分子动力学模拟．模拟结果表明：F185K IN_C功能loop区柔性和蛋白质整体运动性降低,使蛋白质活性降低,F185K突变后盐桥网络的变化驱动了IN_C局部构象改变,引起IN_C表面的部分疏水残基被包埋,亲水残基暴露,相对亲水溶剂可接近面积增大,同时,突变后IN_C与水之间形成氢键的数量增加,与水之间作用加强,以上变化使IN_C溶解性提高．分子动力学模拟与实验结果相吻合．为理解蛋白质溶解性和对蛋白质进行可溶性改造提供了一定的理论依据．     

Design and Development of a Multiplex Real-Time PCR Assay for Detection of HIV-1 and HCV Using Molecular Beacons

At least 10 million individuals worldwide are co-infected with immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) and hepatitis C virus (HCV). These two viruses are transmitted most primarily by exposure to infected blood or blood products. Various nucleic acid assays have been developed for diagnostics and therapeutic monitoring of infections. In the present study, a multiplex real-time PCR assay for simultaneous detection of HCV and HIV-1 using molecular beacons were designed and validated. A well-conserved region in the HIV-1 pol gene and 5′NCR of HCV genome were used for primers and molecular beacon design. The analysis of scalar concentrations of the samples indicated that this multiplex procedure detects at least 1,000 copies/ml of HIV-1 and 100 copies/ml of HCV with linear reference curve (R ² > 0.94). The results demonstrate that a specificity of 100 % and sensitivity of 96 % can be achieved. The analytical sensitivity study with BLAST software demonstrated that the primers do not attach to any other sequences except for that of HIV-1 or HCV. The primers and molecular beacon probes only detected HIV-1 and all major variants of HCV. This assay may represent an alternative rapid and relatively inexpensive screening method for detection of HIV-1/HCV co-infection especially in blood screening.     

人类免疫缺陷病毒(HIV-1)整合酶抑制剂筛选及其活性测定

整合酶作用的病毒DNA整合进宿主DNA的过程是反转录病毒在宿主细胞中增殖的关键步骤.由于在正常人类细胞中不存在相似的功能蛋白,其抑制剂对人体的副作用可能很小,相对于经典AIDS治疗药物的毒副作用,整合酶抑制剂理论上要具有优势.在线性七肽库中筛选与整合酶有特异结合作用的噬菌体展示肽,选取TPSHSSR和HPERATL 2条肽,它们可以竞争性地抑制展示相应肽段的噬菌体与整合酶的结合,同时它们对整合酶的整合活性也有一定程度的抑制,半数抑制率分别为IC50=(54.56±5.18)μmol/L,IC50=(28.29±1.32)μmol/L.这些多肽可用于治疗艾滋病新药的开发应用及整合酶结构及作用机制的研究.     

Development of a high-throughput assay for the HIV-1 integrase disintegration reaction

Both HIV-1 integrase (IN) and the central catalytic domain of IN (IN-CCD) catalyze the disintegration reaction in vitro. In this study, IN and IN-CCD proteins were expressed and purified, and a high-throughput format enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) was developed for the disintegration reaction. IN exhibited a marked preference for Mn²⁺ over Mg²⁺ as the divalent cation cofactor in disintegration. Baicalein, a known IN inhibitor, was found to be an IN-CCD inhibitor. The assay is sensitive and specific for the study of disintegration reaction as well as for the in vitro identification of antiviral drugs targeting IN, especially targeting IN-CCD.