近日，意昂3体育官网未來技術學院陳匡時研究員課題組在Science Advances上發表題為“Roles of RNA scaffolding in nanoscale Gag multimerization and selective protein sorting at HIV membranes”的研究論文👩🏿‍✈️，通過單分子定位顯微成像技術解析了HIV病毒顆粒與類病毒顆粒（virus-like particles, VLPs）在納米尺度下的組裝行為👨🏻‍🦽，發現兩種顆粒具有不同的組裝機製🤦🏿‍♀️，而不同的組裝模式也對後續HIV病毒包膜招募細胞膜蛋白過程造成影響。

Gag是包括HIV在內的逆轉錄病毒的組裝結構蛋白🐶💂🏽‍♀️，同時也是RNA結合蛋白💇🏻‍♂️，即能與病毒RNA（gRNA）結合組裝形成約直徑150nm的病毒顆粒，也能與細胞自身的mRNA（cellular mRNA）結合組裝形成具有類似大小與形狀的類病毒顆粒（VLPs）。迄今為止😵，已有大量生化以及傳統熒光顯微成像研究表明😝🎗，這兩種顆粒的組裝是Gag以RNA為支架（scaffold）在細胞膜上發生高程度的Gag-Gag多聚化🉑🤷🏼‍♀️，進而形成緊密的組裝平臺的結果。但是這些發現無法解釋為何在被HIV病毒感染的細胞中Gag對gRNA的結合與包裝具有傾向性➜👩‍🦯。陳匡時課題組通過長年分子定位顯微成像技術研究病毒組裝【Proc Natl Acad Sci USA. 2014, 111(26):E2676-83; Proc Natl Acad Sci USA. 2017, 114(47): E10056-E10065😐🚀；Proc Natl Acad Sci USA. 2018, 115(26), 6721-6726；Protein Cell. 2018, 9(7): 640–651；ACS Nano. 2021,15(9), 14338-14346；Nucleic Acids Res. 2022, 50(8): e44】🧏🏼‍♂️。在本研究中，課題組通過空間分辨率可達約20nm的單分子定位顯微成像技術對這兩種顆粒在納米尺度下進行了固定細胞以及活細胞成像（圖1）。固定光激活定位顯微成像技術（photoactivated localization microscopy, PALM）成像與聚落分析結果發現，Gag蛋白在包裝gRNA時蛋白密度較高，且其包裝過程中Gag-RNA、Gag-Gag的相互作用具有協同效應。與之相比，細胞RNA介導形成的Gag蛋白聚落的平均蛋白密度更低🦻🏼，並且Gag-RNA 與Gag-Gag的互作沒有顯著的協同性。活細胞PALM成像與Time-correlated PALM （tc-PALM）👌🏻→、HMM-Bayes算法分析結果顯示相較於包裝gRNA🏋️‍♂️，Gag在包裝細胞RNA時分子運動更劇烈，且在組裝過程形成較多無法進行高效組裝的小聚落中間體（assembly intermediates）。基於這些結果，課題組提出以下的組裝模型：二聚體gRNA（長度約18 kb）可以作為長鏈的支架協同驅動Gag發生多聚化⛹🏿‍♀️，形成緊密的蛋白聚落⏯，而由細胞RNA驅動的組裝需要Gag在多條相對較短的細胞RNA上分別多聚化形成小聚落中間體🗜，再由小聚落發生進一步聚集形成更大的復合物🐄，因此組裝的協同性低🔦，蛋白聚落更加松散🧛🏻‍♀️。課題組還發現，較松散的VLP組裝過程能夠使得跨膜蛋白如MLV-Env在HIV病毒包膜的富集水平更高，提出了跨膜蛋白在病毒顆粒上的富集能夠受到Gag組裝造成的空間位阻調控的概念（圖2）。

圖1. Gag在細胞膜上以病毒RNA（gRNA+）或細胞mRNA（gRNA-）作為支架進行組裝及其後續招募跨膜蛋白的能力的比較

圖2. Gag在細胞膜上以病毒RNA或細胞mRNA作為支架進行組裝及招募跨膜蛋白的示意圖

這項研究對於開發基於HIV VLP包裝以病毒或非病毒跨膜蛋白為抗原的工程化疫苗開發具有重要意義🧑‍🦼‍➡️🧑‍🦼‍➡️。例如🙍🏼‍♂️🦸🏻‍♂️，與傳統的減毒活疫苗和滅活疫苗相比，基於VLP的疫苗除了具有更高的安全性和更易製造等優勢外，還能容納更多的（跨膜蛋白）抗原，因此可能提供更強的治療效力。目前課題組正在基於這項研究發展基於VLP的新型RNA遞送技術與疫苗平臺技術✈️。

陳匡時課題組博士研究生應亞宸為本文第一作者。課題組已畢業博士楊艷濤參與了本文前期工作。陳匡時為本文的通訊作者。本工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持❕。