研究人员利用单粒子低温电子显微镜在近原子分辨率下观察了最新 HIV 整合酶链转移酶抑制剂 (INSTI) Dolutegravir (DTG) 和 Bictegravir (BIC) 的作用方式。整合酶中 Q148H/G140S 氨基酸取代使 INSTI 临床失效，扰乱了酶活性位点的镁离子最佳配位。二代化合物化学支架介导的与蛋白质骨架的相互作用，对拮抗包含 Q148H 和 G140S 突变的病毒至关重要。该研究结果揭示了与镁离子的结合是 INSTI 药效团的一个基本弱点，被病毒利用以产生抗药性，并为开发此类抗 HIV/AIDS 治疗药物提供了结构框架。

已知逆转录病毒通过将其已被反转录为 DNA 的 RNA 的拷贝，插入宿主基因组进行复制。该过程形成整合体 (intasome)，一种核蛋白复合物，包含结合在病毒 DNA 末端的病毒整合酶的拷贝。INSTI 通过抑制病毒整合酶阻止 HIV 复制，并已广泛用于 HIV 治疗。

图 1. SIVrcm 整合体核心的重建

研究团队通过评估与循环中 HIV-1 病毒株高度相关的灵长类慢病毒整合酶 (IN) 蛋白 SIVrcm (白颈白眉猴感染的SIVs)，建立适用于 INSTI 开发的实验系统。实验中，SIVrcm IN 核蛋白复合物表现出链转移活性并且对 INSTI 抑制剂敏感，第一代 (Raltegravir, RAL) 和第二代 (Dolutegravir 和 Bictegravir，购自 MedChemExpress) INSTI 在相似的半最大有效浓度下 (EC50) 抑制 HIV-1 和 SIVrcm。在 SIVrcm 重组病毒中，IN Q148H/G140S 突变使 HIV-1 和 SIVrcm 对 RAL 的抵抗力显着增加 (2000 以上)，第二代 INSTI BIC 和 DTG 抗 HIV-1 和 SIVrcm 的 EC50 值分别升高约 5~8 倍和 40~73 倍。

图 2. IN 活性位点中第二代 INSTI 的结合模式

通过 BIC 与 Q148H/G140S 突变的 SIVrcm 整合体的结合成像和精确模型中 ，氨基酸变化导致结合药物位置发生移位，氢键需要在 Glu152 和 His148 侧链中重新定位，这与 Mg2+ 离子的配位和药物结合不相容，解释了HIV 对 INSTI 的抗性机制。由 INSTI 活性结合位点获得截断的抑制剂类似物 1(analog1)，评估其抗 HIV Q148H/G140S 的能力，发现氨基酸的取代增高了 DTG 与 HIV-1 整合体的解离速率，且对截短衍生物的影响更大，这表明与结合 IN β4-α2 连接器是第二代 INSTI 的关键特征。

图 3. Q148H/G140S 取代对 DTG 和类似物 1 活性的影响

这篇文章可视化 INSTI 作用结构，揭示了突变如何引起活性位点的细微变化，从而影响药物结合，或能更好地指导抗 HIV 药物的开发。

原文链接：Cook NJ, et al. Structural basis of second-generation HIV integrase inhibitor action and viral resistance. Science. 2020 Feb 14;367(6479):806-810.

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