聚糖是一种松散的丝状结构,因为很难被抗体抓住,所以可以起到屏蔽作用。HIV、SARS-CoV-2和许多病毒的最外层棘突蛋白上就长着(棘突蛋白进化出了一个位点,在这里大量存在于细胞中的聚糖分子可以自动附着)这些“盾牌”样的糖衣。

首先波状柔韧性使这些糖分子对抗体具有抵抗力,另外像聚糖这样高度灵活的分子用传统的原子尺度成像技术也难以捕捉。

斯克里普斯结构生物学实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们将低温电子显微镜的原子尺度成像方法与复杂的计算机建模和位点特异性质谱结合起来,第一次非常详细地揭示了聚糖的结构和动力学性质,更好地理解这些复杂的动力学如何影响cryo-EM图中观察到的特征。原来,单个聚糖并不像人们曾经认为的那样,只是附着在棘突蛋白表明随意摇摆,相反,它们是成簇存在的,像灌木丛一样聚集在一起。

“大量的聚糖似乎能够一起移动和相互作用,在聚糖微区之间,抗体显然有机会结合,”文章一作Zachary Berndsen说。

HIV疫苗通过衣壳蛋白来激发抗体反应,原则上,疫苗的有效性部分取决于实验室制造的病毒蛋白上屏蔽聚糖的位置和面积。Berndsen和同事应用新方法来绘制一种改性HIV衣壳蛋白上的聚糖(BG505 SOSIp.664),该蛋白已进入临床试验。

“我们在这种蛋白质表明发现了聚糖喜欢覆盖的位点,而实验室制造的蛋白显然没有聚糖覆盖,这也许可以解释,为什么疫苗在接种试验中发现了对该位点的抗体反应,”Berndsen说。

这项发现指出,衣壳的聚糖屏蔽层会根据细胞的类型而变化。例如,在HIV感染人类时,病毒利用人体免疫细胞作为工厂复制其蛋白质,而体外生产的疫苗病毒蛋白却是用其他类型的哺乳动物细胞制作的。

另一个惊讶的发现是,用酶缓缓地去除HIV衣壳上的聚糖时,整个蛋白竟然开始分解。Berndsen怀疑聚糖是衣壳的保护层,在管理衣壳形状和稳定性方面也有作用。

新的聚糖定位方法将对疫苗的设计和开发大有益处,不仅对HIV病毒,其他有聚糖屏蔽的病毒,例如流感病毒和冠状病毒,甚至某些聚糖相关的癌细胞都可以拿这项技术扩展本领域里的认识。

原文检索:Visualization of the HIV-1 Env glycan shield across scales