Structure Analysis of Viral Assembly Mechanisms

病毒组装机制的结构分析

基本信息

  • 批准号:
    10179316
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 59.98万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-09-01 至 2022-10-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

ABSTRACT A theme of our research program is the design and assembly of symmetric surrogates of the quasi- hexagonal and pleiomorphic lattices of the HIV-1 immature and mature capsids that enable high-resolution structure analysis by cryoEM, microED, X-ray crystallography and ssNMR spectroscopy. Interpretation of our experimental results is fortified by the addition of multi-scale, computational simulations. · Aim 1: Structural studies of the immature Gag lattice: We previously determined a 3.2 Å X-ray structure of a CTD-SP1 Gag construct, which revealed a 6-helix bundle comprised of 2 turns of CTD and 2 turns of SP1. The protease cleavage sites are sequestered in the interior of the bundle. This surprising result revealed a mystery: How does protease gain access to the sequestered cleavage sites? ssNMR spectroscopy of selectively labeled ΔMA-Gag VLPs will allow us to examine conformational dynamics of the junction helices. Time-resolved cryoEM of 2D crystals of CTD-SP1, which diffract to 5-Å resolution, will test whether protease cleavage is initiated at the fissures within the immature Gag lattice. MicroED of 2-4 µm 3D crystals yielded a 2.9-Å resolution 3D structure of CTD-SP1 with bound bevirimat, which sets the stage for us to explore mechanisms of drug resistance and action of second-generation maturation inhibitors. Our results will not only provide data for atomic-resolution MD simulations, but also help develop and refine novel coarse-grained (CG) models of Gag lattice components to explore the dynamics of on- and off-pathway generation of viral particles. · Aim 2: Structural studies of the mature capsid: We previously used disulfide crosslinking to stabilize and solve X-ray structures of the CA hexamer and pentamer. The resulting atomic model of the fullerene cone suggested mechanisms for the continuously varying curvature in the conical capsid. We also showed that the compound PF74, a CPSF6 peptide and a peptide of NUP153 bind the interface between the C-terminal and N- terminal domains of CA, indicating that this interface is a therapeutic target and may be important for docking of the capsid at the nuclear pore. We will now explore a surrogate of capsid docking at the nuclear pore by examination of 2D CA crystals with bound NUP153, allowing us to test whether the FG repeats bind cooperatively and whether binding disrupts the lattice to release the preintegration complex into the nucleus. We have shown that the R18F mutant of CA forms ~35 nm spherical particles, and a preliminary 3D cryoEM reconstruction shows that the ~90 Å spacing between protomers in the icosahedral lattice recapitulates the spacing in authentic HIV-1 capsids. We seek to determine an atomic resolution structure to examine the chemical interactions at the protomer-protomer interfaces. The 7-Å cryoEM map of mature HIV-1 and the high- resolution map of the icosahedral surrogate will enable computational simulations of the mature capsid lattice to investigate the effects of protein and drug binding on lattice self-assembly and stability. We believe our studies will yield novel insight into HIV-1 maturation and assembly that will be relevant for drug discovery.
抽象的 我们的研究计划的一个主题是准替代物的设计和组装 HIV-1未成熟和成熟的衣壳的六角形和多形晶格,可实现高分辨率 通过冷冻,微型,X射线晶体学和SSNMR光谱进行的结构分析。对我们的解释 通过添加多尺度的计算模拟来加强实验结果。 AIM 1:未成熟插科打晶格的结构研究:我们先前确定了3.2ÅX射线 CTD-SP1插孔构建体的结构,该结构显示了一个6螺旋束,CTD和2圈完成了 sp1的转弯。蛋白酶裂解位点被隔离在束内部。这个令人惊讶的结果 揭示了一个神秘的:蛋白质如何进入隔离的乳沟位点? SSNMR光谱 选择性标记的ΔMA-GAG VLP将使我们能够检查连接螺旋的构象动力学。 CTD-SP1的2D晶体的时间分辨冷冻物(衍射为5-Å分辨率)将测试蛋白酶是否蛋白酶 裂解是在未成熟的插科打晶格内的裂缝处开始的。 2-4 µm 3D晶体的微型产生A 2.9-Å分辨率3D结构的CTD-SP1结构,带有绑定的bevirimat,这为我们奠定了阶段 耐药性和第二代成熟抑制剂的作用。我们的结果不仅会 提供原子分辨率MD模拟的数据,但也有助于开发和完善新颖的粗粒(CG) GAG晶格组件的模型,以探索病毒颗粒的跨道路生成的动力学。 AIM 2:成熟的衣壳的结构研究:我们先前使用二硫键交联稳定 并解决了CA六聚体和五聚体的X射线结构。富勒烯锥的最终原子模型 建议在锥形衣壳中连续变化曲率的机制。我们还表明了 化合物PF74,一种CPSF6肽和NUP153的肽结合C末端和N-之间的界面 CA的终端域,表明该界面是一个治疗靶标,对于对接可能很重要 核孔的衣壳。现在,我们将探索由核孔的Capsid对接的代理 检查具有绑定NUP153的2D CA晶体,使我们能够测试FG重复是否结合 合作以及结合是否会破坏晶格以释放前整合复合物中的核。 我们已经表明,Ca形式的R18F突变体〜35 nm球形颗粒和初步的3D冷冻 重建表明,二十面体晶格中的代理之间的〜90Å间距概括了 正宗的HIV-1衣壳中的间距。我们试图确定原子分辨率结构以检查 生产者 - 螺旋体界面的化学相互作用。成熟HIV-1和高 - 高的7-Å冷冻图 二十面体替代物的分辨率图将启用成熟capsid晶格的计算模拟 研究蛋白质和药物结合对晶格自组装和稳定性的影响。我们相信我们的 研究将对HIV-1成熟和组装产生新的见解,这将与药物发现有关。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
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专利数量(0)
Preservation of HIV-1 Gag Helical Bundle Symmetry by Bevirimat Is Central to Maturation Inhibition.
Critical mechanistic features of HIV-1 viral capsid assembly.
  • DOI:
    10.1126/sciadv.add7434
  • 发表时间:
    2023-01-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    13.6
  • 作者:
  • 通讯作者:
Inositol Hexakisphosphate (IP6) Accelerates Immature HIV-1 Gag Protein Assembly toward Kinetically Trapped Morphologies.
  • DOI:
    10.1021/jacs.2c02568
  • 发表时间:
    2022-06-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15
  • 作者:
    Pak, Alexander J.;Gupta, Manish;Yeager, Mark;Voth, Gregory A.
  • 通讯作者:
    Voth, Gregory A.
Immature HIV-1 assembles from Gag dimers leaving partial hexamers at lattice edges as potential substrates for proteolytic maturation.
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