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HIV-1蛋白酶

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HIV-1蛋白酶（逆轉錄病毒氨酰蛋白酶）
HIV-1 蛋白酶二聚體為白色和灰色，肽底物為黑色，活性位點天冬氨酸側鏈為紅色。 (PDB 1KJF)
識別碼
EC編號 3.4.23.16
CAS號 144114-21-6
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基因本體 AmiGO / EGO

HIV-1蛋白酶是一種逆轉錄病毒天冬氨酰蛋白酶（retropepsin），它是一種參與逆轉錄病毒肽鍵水解的酶，它對導致愛滋病的逆轉錄病毒，HIV的生命周期至關重要。[1][2]HIV蛋白酶在九個切割位點切割新合成的多蛋白（即Gag和Gag-Pol[3]）以產生HIV病毒粒子的成熟蛋白質成分，這是病毒在宿主細胞外的感染形式。[4]如果沒有有效的HIV蛋白酶，HIV病毒粒子將保持無感染性。[5][6]

結構

成熟的HIV蛋白酶以22 kDa同型二聚體形式存在，每個亞基由 99 個氨基酸組成。[1]單個活性位點位於相同的亞基之間，並具有天冬氨酸蛋白酶共有的特徵性Asp-Thr-Gly（Asp25、Thr26 和 Gly27）催化三聯體序列。[7]由於HIV-1蛋白酶只能作為二聚體發揮作用，因此成熟的蛋白酶包含兩個Asp25氨基酸，一個來自每個單體，它們作為催化殘基相互結合。[8]此外，HIV蛋白酶有兩個分子「襟翼」，當酶與底物結合時，它們移動的距離可達7Å。[9]這可以通過襟翼打開和關閉的動畫來可視化。

生物合成

Gag-Pol區域含有蛋白酶基因，其N端為p6pol，C端為逆轉錄酶。 "Hxb2genome"

前體

Gag-Pol多聚蛋白，其中包含過早的編碼蛋白，也包括HIV-1蛋白酶。[8]HIV-1蛋白酶位於反轉錄酶（位於 PR 的 C 端）和轉框區（Transframe region，TFR）的p6pol（位於 PR 的 N 端）之間。[10]

為了使該前體成為功能性蛋白質，每個單體必須與另一個HIV-1蛋白酶單體結合，通過各自貢獻各自催化三聯體的Asp25來形成功能性催化活性位點。[8]

合成機制

當病毒性HIV-RNA進入細胞時，他將會被逆轉錄酶、整合酶和成熟的HIV-1蛋白酶伴隨。逆轉錄酶將病毒性RNA轉化為DNA，促進整合酶在將病毒遺傳信息與宿主細胞DNA結合中的作用。[2]病毒性DNA可以在細胞核中保持休眠狀態或者也可以轉錄成mRNA並由宿主細胞翻譯成Gag-Pol多聚蛋白，然後成熟的HIV-1蛋白酶將會將其切割成單個功能蛋白（包括新合成的HIV-1蛋白酶）。[8]

HIV-1蛋白酶前體通過促進其從Gag-Pol多聚蛋白中的切割以一種稱為自動加工的機制來催化其自身的產生。HIV-1蛋白酶的自動加工以兩個連續步驟為特徵：（1）在p6pol-蛋白酶切割位點對N端進行分子內切割，這有助於完成HIV-1蛋白酶加工並增加新形成的蛋白酶-逆轉錄酶中間體的酶活性。（2）C末端在蛋白酶-逆轉錄酶切割位點的分子間切割，導致兩個HIV-1蛋白酶亞基組裝成成熟的二聚體。[11][12]兩個亞基的二聚化允許形成功能齊全的組合活性位點，其特徵在於兩個Asp25催化殘基（每個單體一個）。[13]

HIV-1蛋白酶二聚體（綠色和青色）與紅色的活性位點Asp-25。
與多肽底物複合（洋紅色）。 (PDB 1KJF)
與抑制劑BEA369複合（描繪為白色為碳、藍色為氮、紅色為氧的棒）。 (PDB 1EBY)

功能

HIV-1蛋白酶具有兩個目的。前體HIV-1蛋白酶負責通過HIV-1蛋白酶自動加工催化其自身產生成熟的HIV-1蛋白酶。[14]成熟的蛋白酶能夠水解Gag-Pol多聚蛋白上九個特定位點的肽鍵，將產生的亞基加工成成熟的、功能齊全的蛋白質。這些切割的蛋白質，包括逆轉錄酶、整合酶和RNaseH，由病毒複製所必需的編碼區成分編碼。[4]

機制

作為一種天冬氨酸蛋白酶，二聚化的HIV-1蛋白酶通過天冬氨酰基團複合物進行水解。在HIV-1蛋白酶的聯合催化活性位點上的兩個Asp25殘基中，一個被去質子化而另一個被質子化，這是由於與微環境的pKa差異。[15]

在一般的天冬氨酸蛋白酶機制中，一旦底物與酶的活性位點正確結合，去質子化的Asp25催化氨基酸就會經歷鹼催化，從而通過去質子化來使進入的水分子成為更好的親核試劑。產生的氫氧根離子攻擊肽鍵的羰基碳，形成一個具有瞬態氧陰離子的中間體，該中間體由最初質子化的Asp25來穩定。氧陰離子重新形成雙鍵，導致兩個氨基酸之間的肽鍵斷裂，而最初去質子化的Asp25經過酸催化將其質子提供給氨基，使氨基成為更好的離去基團，以完成肽鍵斷裂並恢復到原來的去質子化狀態。[2][16]

雖然HIV-1蛋白酶與非病毒天冬氨酸蛋白酶具有許多相同的特徵，但一些證據表明HIV-1蛋白酶以協同方式催化水解。換句話說，親核水分子和質子化的Asp25在催化過程中同時攻擊易斷裂的肽鍵。[16][17]

一般天冬氨酰蛋白酶的催化機制，包含去質子化和質子化形式的兩個特徵Asp25殘基。 "Aspartyl proteae mechanism.png"

作為藥物靶點

HIV-1蛋白酶具有天冬氨酰蛋白酶的經典 AspThrGly。這些氨基酸位於第25、26 和 27位，負責催化活性

憑藉其在HIV複製中不可或缺的作用，HIV蛋白酶已成為主要的藥物治療。 HIV蛋白酶抑制劑通過模仿其底物的四面體中間體特別是來結合活性位點並基本上「卡住」，使酶失效。在組裝和出芽後，缺乏活性蛋白酶的病毒顆粒不能成熟為感染性病毒粒子。幾種蛋白酶抑制劑已獲准用於HIV治療。[18]

有10種目前已獲美國食品和藥物管理局批准的HIV-1蛋白酶抑制劑：茚地那韋、沙奎那韋、利托那韋、奈非那韋、洛匹那韋、安普那韋、福沙那韋、阿扎那韋、替拉那韋和達蘆那韋。許多抑制劑具有不同的分子成分，因此具有不同的機製作用，例如阻斷活性位點。它們的功能作用還延伸到影響其他抑制劑藥物（利托那韋）的循環濃度，並且僅用於病毒對其他抑制劑（替拉那韋）表現出耐受性的某些情況。[4][19]

進化與耐藥性

由於逆轉錄病毒的高突變率，特別是由於突變敏感區域（尤其是包含催化三聯體序列的區域），並且考慮到 HIV蛋白酶中一些氨基酸的變化可以使其對抑制劑的明顯性大大降低，因此在複製抑制藥物的選擇壓力下，這種酶的位點會迅速改變。[20][21]

兩種類型的突變通常與增加的耐藥性有關：「主要」突變和「次要」突變。主要突變涉及HIV-1蛋白酶活性位點的突變，阻止選擇性抑制劑與其結合。次要突變是指由於長期暴露於類似化學物質從而導致酶外圍的分子變化，可能影響HIV-1蛋白酶的抑制劑特異性。[3]

將HIV耐藥性的發展降至最低的一種方法是同時使用一種藥物組合，這些藥物可以同時抑制HIV複製周期的幾個關鍵方面，而不是一次使用一種藥物。其他藥物治療靶點包括逆轉錄酶、病毒附着、膜融合、cDNA整合和病毒粒子組裝。[22][23]

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 Davies DR. The structure and function of the aspartic proteinases. Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry. 1990, 19 (1): 189–215 [2022-09-14]. PMID 2194475. doi:10.1146/annurev.bb.19.060190.001201. （原始內容存檔於2022-09-14）. 
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