Characterizing functionally relevant HIV-1 structures by correlative light and cryo-electron microcopy (CLEM)

通过相关光和冷冻电子显微镜 (CLEM) 表征功能相关的 HIV-1 结构

基本信息

  • 批准号:
    10700544
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 19.25万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-01-18 至 2024-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary The HIV-1 capsid protects the viral genome from host innate sensors and mediates the nuclear import of pre- integration complexes. At some point during intra-cellular trafficking the capsid must disassemble to release the reverse transcribing vDNA for its integration into host-genes. The underlying mechanisms and the cellular location of capsid disassembly, which is commonly referred to as uncoating, remain unclear. Recent evidence points to the possibility to transport a few apparently intact capsids (dimensions ~30 x 60 nm) through a dilated (~60 nm) nuclear pore complex and into the nucleus1-3. The relevance of these few capsids to infection remains unclear, and their prior dynamics inside cells unknown. An unbiased and detailed structural analysis of relevant intra-cellular HIV-1 uncoating structures by cryo-EM remains highly challenging. Notably, in situ cryo-EM necessitates the use of cryo-focused ion beam (cryo-FIB) milling to generate a thin (100-300nm) sheet of vitreous ice referred to as a ‘lamella’ inside rapidly frozen cells. Procedures to precisely control the location in a cell where the lamella is prepared remains underdeveloped and a bottleneck for in situ structural investigation, especially of sparsely located HIV-1 specimen. The scientific premise of this proposal is to develop a robust 3D correlative light and cryo-EM (3D-CLEM) workflow to facilitate cryo-FIB ‘lamella’ preparation at precise intra-cellular sites containing HIV-1, and to characterize relevant capsid structures and correlate to their functional dynamics by live-cell imaging. This project will leverage, (1) fluorescence live-cell imaging of HIV-1 infection to locate relevant capsids that are respectively poised for nuclear entry and integration4, 5 and correlate their dynamics to capsid structures determined by 3D-CLEM, cryo-FIB lamella preparation and high-resolution cryo-electron tomography (cryo-ET); (2) develop automated methods to locate HIV-1 macrostructures on a lamella using low-resolution cryo-ET maps via a convoluted neural network (CNN)-trained software6 to un-biasedly pick capsid templates and 3D-HIV structures on a lamella, for high-resolution cryo-ET structural imaging and classification. The development and validation of the 3D-CLEM workflow and automated macrostructure localization procedure will improve throughput in cryo-EM imaging of HIV-1 structures inside cells, and improve our understanding of virus cell biology, which is of high public health significance.
项目概要 HIV-1衣壳保护病毒基因组免受宿主先天传感器的影响,并介导前病毒的核输入 在细胞内运输过程中的某个时刻,衣壳必须分解以释放整合复合物。 逆转录 vDNA 整合到宿主基因中的基本机制和细胞。 衣壳解体(通常称为脱壳)的位置仍不清楚。 指出通过扩张的通道运输一些表面上完整的衣壳(尺寸〜30 x 60 nm)的可能性 (~60 nm) 核孔复合体并进入细胞核1-3 这些衣壳与感染的相关性仍然存在。 不清楚,并且它们在细胞内的先前动态未知。对相关的公正且详细的结构分析。 值得注意的是,通过冷冻电镜观察细胞内 HIV-1 脱壳结构仍然极具挑战性。 需要使用冷冻聚焦离子束 (cryo-FIB) 铣削来生成薄 (100-300 nm) 玻璃体片 冰被称为快速冷冻细胞内的“薄片”,用于精确控制细胞中的位置。 制备的薄片仍然不发达,是原位结构研究的瓶颈,特别是 该提案的科学前提是开发强大的 3D 相关光。 和冷冻电镜 (3D-CLEM) 工作流程,以促进冷冻 FIB“薄片”在精确的细胞内位点制备,其中包含 HIV-1,并通过活细胞成像表征相关衣壳结构并与其功能动态相关联。 该项目将利用 (1) HIV-1 感染的荧光活细胞成像来定位相关衣壳 分别准备好进入核和整合4、5,并将它们的动态与确定的衣壳结构相关联 通过 3D-CLEM、冷冻 FIB 薄片制备和高分辨率冷冻电子断层扫描 (cryo-ET) (2) 开发; 使用低分辨率冷冻 ET 图通过自动化方法定位薄片上的 HIV-1 宏观结构 经过卷积神经网络 (CNN) 训练的软件6,可以无偏见地挑选衣壳模板和 3D-HIV 结构 薄片,用于高分辨率冷冻电子断层扫描结构成像和分类。 3D-CLEM 工作流程和自动化宏观结构定位程序将提高冷冻电镜的通量 HIV-1细胞内结构的成像,提高我们对病毒细胞生物学的理解,这具有很高的价值 公共卫生意义。

项目成果

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