Science：從結構上揭示INSTI藥物結合HIV整合體機制

　　在一項新的研究中，來自美國國家糖尿病與消化疾病研究所、美國國家癌癥研究所、沙克生物研究所和斯克里普斯研究所的研究人員發現了一類強大的HIV藥物如何結合HIV整合體（intasome）的一個關鍵部分。通過首次解析出這種整合體與不同藥物結合在一起時的三維結構，他們發現了是什么讓這類藥物如此有效。這項研究提供了可能有助于設計或改進HIV新療法的重要見解。相關研究結果近期發表在Science期刊上，論文標題為“Structural basis for strand transfer inhibitor binding to HIV intasomes”。

　　論文通訊作者、沙克生物研究所遺傳學實驗室助理教授Dmitry Lyumkis說，“我們研究的這些藥物是如今臨床上可用的最新化合物，還有幾種重要的臨床前分子。在此之前，沒有人確切知道它們如何與這種HIV復合物結合。更好地了解這些藥物的作用將有助于我們改進它們和設計新的治療性化合物。”

　　HIV整合體是這種病毒感染的一種關鍵結構，它由HIV蛋白整合酶（integrase）和病毒DNA鏈組成，而且是在這種病毒入侵人細胞時形成的。這種整合體進入人細胞，隨后進行必要的化學反應，從而將這種病毒的遺傳物質整合到人DNA中。

　　一些稱為整合酶鏈轉移抑制劑（integrase strand transfer inhibitor, INSTI）的藥物成功地阻斷這種整合體；當它不能將病毒DNA整合到人類基因組中時，HIV就不能夠感染人細胞。目前，有四種INSTI藥物獲得美國食品藥物管理局（FDA）的批準，還有一些正在開發當中。

　　盡管這些分子取得了成功，但是人們仍在努力研究如何抑制HIV整合體，這主要是由于難以分離這種整合體以進行結構研究。過去，大多數針對HIV整合體和INSTI的研究都是在另一種稱為原型泡沫病毒（prototype foamy virus, PFV）的逆轉錄病毒上進行的。2017年，Lyumkis和他的同事們首先解析出純化的HIV整合體的結構（Science, 2017, doi:10.1126/science.aah5163）。

　　在這項新的研究中，Lyumkis的研究團隊走得更遠：他們獲得了HIV整合體被四種INSTI---市售藥物bictegravir；三種稱為4f、4d和4c 的實驗性化合物---之一阻斷時的結構。他們使用了傾斜單粒子低溫電子顯微鏡（single-particle cryo-electron microscopy（他們幫助優化的一種成像技術）來揭示每種HIV整合體-藥物復合物的結構。

　　Lyumkis的第一個觀察結果是，這些藥物與HIV整合體結合在一起時與它們與PFV整合體結合在一起時有何不同。比如，化合物4f在與PFV整合體結合時會回環到它自身上，而在與HIV整合體結合時卻保持相對平坦，這些細節可以幫助人們改善潛在的未來分子的結合特性。

　　論文共同第一作者、Lyumkis 實驗室研究員Dario Oliveira Passos說，“到目前為止，每個人仍在使用PFV 整合體結構來合理地思考和理解這些藥物的作用機理。但是我們發現，如果我們想取得進一步進展，這個領域確實需要向前進一步并研究HIV整合體結構。”

　　論文共同第一作者、美國國家糖尿病與消化疾病研究所研究員Min Li說，“我們和許多其他人已為實現這一目標而努力了幾十年。令人興奮的是，我們終于可以了解這類HIV抑制劑的詳細工作原理并幫助開發新藥。”

　　這些結構還揭示了為什么這些藥物如此有效，是什么讓它們在避免耐藥性方面如此出色。 Lyumkis和他的同事們發現這些INSTI填充了通常由DNA占據的整個空間。這意味著，如果HIV整合體發生阻止INSTI藥物結合的突變，它也會使得這種整合體不能入侵人細胞。

　　最后，這些研究人員獲得的這些極高分辨率結構使得他們可以觀察到有關這些藥物如何與這個結合口袋進行化學相互作用的詳細信息，以及這些INSTI如何置換水分子來做到這一點，這為他們提供了更多信息，讓他們知道是什么讓INSTI在臨床上如何成功。

　　Lyumkis說，“在以前的結構中，我們了解了HIV整合體的生物學特性。但是在本論文中，我們真正地開始從治療角度深入了解INSTI藥物如何靶向這些重要的病毒整合體。”

　　這些研究人員正在計劃對這些實驗性藥物開展更多的研究，尤其是化合物4d。基于臨床前測試和新的結構見解，這種化合物比其他化合物更有望抵抗HIV。他們還想要更好地了解在對INSTI藥物產生耐藥性的情況下，HIV整合體的結構會發生什么變化。Lyumkis說，這可能在未來幫助他們設計更有效的藥物。