HIV囊膜糖蛋白在诱导膜融合过程中动力学特性的计算模拟研究

During the HIV entry, membrane fusion of the HIV and host cells is the first step and driven mainly by the glycoproteins gp120 and gp41 that form a trimer on the surface of the HIV envelope. Therefore, the gp120-gp41 complex is an important drug target to design HIV inhibitors and precursors for the HIV vaccine. However, the underlying mechanisms and atomistic-level understandings of the conformational changes of the gp120-gp41 complex induced by its receptor CD4 and co-receptors CCR5 or CXCR4 are still lack of. In current project, we are focused on investigating the dynamics of the gp120 in both its monomer and trimer state after its binding to CD4 and the refolding mechanisms of the gp41 by combining with high throughput computing, molecular dynamics simulations and Markov State Model (MSM). We expect to capture the key intermediate state of both gp120 and gp41, as well as their associated thermodynamic and kinetic properties. Finally, the above observed intermediate states can be used as potential drug targets for future structure-based anti-HIV drug discovery to design new-scaffold HIV inhibitors with high antivirus activities. In addition, our results will provide new insights for designing novel HIV vaccines that is capable of eliciting broadly neutralizing antibodies.

HIV感染宿主细胞的关键一步是其囊膜糖蛋白gp120和gp41诱导的细胞膜融合过程，因此它们是当今设计抗HIV抑制剂和疫苗的重要药物靶点和抗原前体。然而人们对gp120-gp41复合物在与其受体和共受体结合后诱导的构象变化过程还缺乏分子水平上的深入理解。本项目计划利用高性能计算的工具，通过计算机模拟的方法和构建马尔科夫态模型的手段对CD4诱导的gp120单体和三聚体的动态变化过程及gp41的自折叠机理进行系统的理论研究，并最终揭示HIV囊膜糖蛋白在诱导膜融合过程中的关键中间体构象及相应的热力学和动力学特性。最终，捕捉到的关键中间体可以作为设计高效和全新抗HIV药物小分子的潜在药物靶点，并为设计具有可诱导广谱中和抗体特性的HIV疫苗提供新的思路。

设计和研发抗HIV抑制剂或疫苗是近30年以来人们一直追求的目标。然而，至今还没有一个有效的抑制剂或疫苗可以完全阻断HIV的感染和蔓延。HIV与宿主细胞的膜融合是其生命周期中的一个重要环节。HIV的囊膜糖蛋白,包含gp120-gp41三聚体复合物,可以在HIV表面形成钉状突起,使病毒可以入侵人体的免疫细胞,如CD4+ T淋巴细胞。在HIV入侵免疫细胞时,囊膜糖蛋白可以与淋巴细胞表面的受体蛋白CD4和共受体CCR4 (或CXCR4) 相互作用并介导膜融合过程,最终将病毒的遗传基因释放到人体细胞内。因此,阻断病毒与宿主细胞的膜融合是抗HIV感染的重要策略之一。本项目利用高性能计算的工具,通过计算机模拟并构建马尔科夫态模型的方法从原子水平揭示了 HIV 囊膜糖蛋白的动态变化机理以及该构象变化过程诱导的膜融合机制。首先，我们基于时长约20微妙的常规分子动力学模拟构建马尔科夫态模型从而在原子水平上探索gp120受CD4诱导并激活的分子动力学机制（PCCP 2019）。模型显示在gp120完全敞开的情况下,可变环的构象灵活,尤其是V3环可以在关闭和敞开的状态间相互转化,V1V2区域的结构异质性也很高,导致关键桥联折叠区域在gp120完全敞开时并未广泛形成。我们的研究探索了gp120受CD4诱导的敞开动力学特征,为未来抗gp120药物的研发提供了结构基础。另外，gp41折叠后构象是设计抗HIV病毒药物的重要靶标之一,目前实验上无法获知该构象形成过程中的关键动力学特性。我们的计算模拟研究鉴定了gp41的关键中间态及各个态的动力学特征 （JCIM 2020）。进一步的突变分子动力学模拟也揭示了抑制剂T20和SFT的耐药机制。另外，我们还对参与病毒表面糖基化修饰的糖基转移酶的作用机制进行了细致研究；从原子水平探讨了T2酶中关键催化域的作用机制（ACS Catalysis, 2019）;并对具有潜在抗病毒活性的厦门霉素A的合成酶XimA进行了基于结构的蛋白质工程改造，显著扩大了其底物结构多样性（Chemical Communications, 2019）。本项目为今后设计基于 gp120-gp41 三聚体结构特征的抗 HIV 抑制剂或 HIV 疫苗提供理论指导和新的研究思路 。