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人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)是获得性免疫缺陷综合征的病原体,截止到2017年,全球已有约7100多万人感染,其中已死亡人数高达3500多万,存活感染者3690万人。传统的高效联合抗逆转录病毒疗法(highly active antiretroviral therapy,HAART)利用 2-3 种逆转录酶抑制剂和至少 1种蛋白酶抑制剂切断HIV的复制过程,达到抗病毒的作用。这种酶类抑制剂是在病毒进入细胞后发挥作用,而HIV膜融合抑制剂是在病毒尚未进入细胞时发挥其抗病毒作用,因而具有独特的抗病毒优势。T20是目前唯一获得美国FDA批准用于临床的HIV膜融合抑制剂,具有划时代的意义。尽管T20已问世20余年,它的抗病毒机制仍未明确。第二代膜融合抑制剂T1249具有高效且广谱的抗病毒活性,但是由于试剂配方问题,停止了临床实验,它的抗病毒作用机制也亟待研究。在第三代膜融合抑制剂中,短肽类膜融合抑制剂HP23L具有强大的抗病毒效能,因此对其抗病毒机制的研究意义重大。本文采用晶体结构生物学的方法,解析了三代膜融合抑制剂中的典型代表及其衍生物的晶体结构,为HIV膜融合抑制剂的作用机制和耐药机理的研究提供了重要的理论基础,对研发抗病毒活性高且广谱的HIV膜融合抑制剂具有指导价值。本文取得的创新性成果主要有:(1)成功解析了第一代HIV膜融合抑制剂T20及其衍生物LP-40分别与靶肽复合物的晶体结构,结果表明,第一,位于T20 C端的富含色氨酸基序(tryptophan-rich motif,TRM)上的两个氨基酸与N39N端的融合肽近端区(fusion peptide proximal region,FPPR)上的氨基酸存在疏水相互作用;第二,与之前关于T20与gp41上的口袋区没有相互作用的观点不同,T20N端的氨基酸与口袋区中的两个重要的氨基酸存在相互作用,明确了带有L57R突变的HIV-1突变体对T20和LP-40敏感的原因;第三,LP-40C端的Leu-152与靶肽的相互作用是抑制剂DP-C16比LP-40的结合力和抑制活性低的原因;第四,阐明了 9个由T20诱导的gp41上的耐药位点的分子结构基础。(2)成功解析了第二代HIV膜融合抑制剂的衍生物LP-46与其靶肽复合物的晶体结构。发现LP-46N端的口袋结合区(pocket binding domain,PBD)未插入口袋区,而是靠近口袋区,与口袋区中两个重要的氨基酸存在相互作用。(3)成功解析了短肽类抑制剂HP23L及其衍生物LP-11分别与不同靶肽N36、N36KR和N44复合物的晶体结构。结果显示,首先,HP23LN端的谷氨酸和L-T钩子具有稳定构象和提高抑制剂结合力的作用;其次,LP-11C端的脂肪酸不影响抑制剂和靶肽相互作用;最后,阐明了短肽类抑制剂诱导的gp41上的耐药位点E49K和L57R的分子结构基础。综上所述,我们获得了六个HIV膜融合抑制剂与其靶肽复合物的晶体,收集了晶体数据,对数据进行了解析、修正及分析,阐明了这些膜融合抑制剂抗病毒作用的关键位点及耐药突变的分子结构基础。本研究中的成果将对新一代HIV膜融合抑制剂的设计与研发起到重要的指导作用。