HIV衣壳(capsid)蛋白是HIV病毒颗粒的重要组成单位。一个成熟的HIV病毒颗粒(virion)是由外部的壳膜蛋白和内部的衣壳核心组成，其外部的壳膜蛋白gp120主要负责识别和进入人体的靶细胞CD4+T细胞，而内部的衣壳核心则由衣壳蛋白组装而成。HIV病毒颗粒衣壳核心的精细结构是由衣壳蛋白以五聚体以及六聚体的形式组装形成的一个锥状蛋白质内壳，并将病毒的遗传物质RNA包裹其中。HIV的病毒复制过程大致分为六部分：一、HIV病毒颗粒识别靶细胞，融合，脱壳释放病毒RNA进入宿主；二、病毒RNA入核前的逆转录及入核；三、DNA在核内整合入宿主基因组；四、病毒DNA转录和出核；五、mRNA核外翻译和衣壳蛋白的组装形成未成熟的病毒颗粒；六、未成熟的HIV病毒颗粒成熟过程。HIV衣壳蛋白在这总过程中多方面参与了HIV的复制过程，靶向衣壳蛋白对于抑制HIV病毒的复制有重要的作用。目前针对HIV的致病机制，已经正式批准上市的抗AIDS药物共分为六大类，分别为核苷类逆转录酶抑制剂（NRTIs）、非核苷类逆转录酶抑制剂（NNRTIs）、蛋白酶抑制剂（PIs）、整合酶抑制剂（INSTIs）、病毒成熟抑制剂（MIs）、辅助受体CCR5抑制剂。但目前为止缺少相关的HIV衣壳蛋白抑制剂。
Pfizer公司之前发展的首个靶向capsid蛋白的化合物PF-3450074由于其在体内活性低，并没有进入临床研究。近日，来自Gilead公司的科学家在Nature Medicine上发表基于PF-3450074改造优化的长效高活性抑制剂GS-CA1。在改造策略上，研究人员将PF-3450074左半部分吲哚结构优化为四氟吡唑结构，将右半部分酰胺结构被改造为二芳基侧链，使其活性得到了很大的提升，GS-CA1在体外能够达到皮摩尔级别的半数有效抑制浓度（EC50）。
GS-CA1的EC50测定其可以达到130pM。对HIV-1的不同亚型分别测试其EC50，对比临床上使用的抑制效果好的四种化合物，可以看出GS-CA1的EC50较其他四种临床常用药物都有较大优势（图b）。并且不受其他不同机制抗HIV药物中存在的耐药突变影响(图c)。
对感染不同亚型HIV-1病毒的宿主细胞使用不同有效浓度的GS-CA1进行处理，一段时间后测序HIV衣壳蛋白依然会发现产生了七个残基突变位点(L56, N57, M66, Q67, K70, N74 ,T107)。他们将这些残基位点映射到蛋白上，发现其均位于衣壳蛋白的N端结构域（NTD），黄色框内就是小分子的结合口袋的大概位置(图a,b)，对这个口袋周围的残基进行保守性分析发现他们在进化上高度保守(图c)，提示这些残基在HIV衣壳蛋白发挥功能的过程中起着很重要的作用。
继而，探究这些突变是否对小分子的EC50产生影响，他们对这七个残基进行了单点突变和组合突变。发现相较于野生型而言，GS-CA1对衣壳蛋白不同突变体的EC50均有不同程度的降低（图d）。那么，这些残基的自身突变是否会对HIV的复制水平产生影响？他们分别对野生型和不同突变体的衣壳蛋白所在的宿主细胞（CD4+T细胞）的HIV-1复制水平进行了检测，发现随着时间的推移，突变会明显降低HIV-1的复制水平，除了67位谷氨酸突变在19天后病毒的复制水平会回到正常的水平外，其他任何突变都会对自身功能产生很大的影响（图e）。这也提示了这些突变产生抗性需要付出抗性代价（fitness cost），虽然对GS-CA1有所影响，同时对HIV本身复制也是具有阻碍效应。
为了进一步阐明小分子与衣壳蛋白的结合形式，他们分别对衣壳蛋白全长，仅N端结构域和仅C端结构域，五聚体，六聚体以及六聚体M66I突变结构进行了平衡解离常数(KD值)的测定，发现小分子不与衣壳蛋白的C端结构域进行结合。与单个衣壳蛋白相比，GS-CA1在六聚体和五聚体中具有更高的亲和力，但在关键残基发生突变（M66I）后其亲和力会有明显的下降，提示GS-CA1可能是通过抑制HIV衣壳蛋白的组装发挥功能。
为了进一步明确GS-CA1对HIV复制过程中的哪几个过程会产生影响，研究人员培养了带有HIV病毒颗粒的CD4+T细胞和促进HIV病毒颗粒成熟的HEK-293T细胞。这两种细胞分别会为HIV复制的前期和后期提供场所，利用RAL（前期）和ATV（后期）这两种不同机制的药物作为阳性对照，发现不同浓度GS-CA1会对病毒的前期的逆转录和后期的整合，以及HIV颗粒的成熟分别产生影响。
在不同浓度GA-CA1处理的宿主细胞中，研究人员对其病毒DNA（vDNA）和衣壳蛋白（CA）在细胞内的定位进行标记，可以发现当GS-CA1浓度达到10nM时，衣壳蛋白会组装形成无序结构，使未成熟的HIV病毒颗粒无法通过宿主细胞细胞膜到外部进行HIV成熟的过程。这也说明了在这个浓度下，GS-CA1会对HIV衣壳的组装产生很大的影响。镜下可以看到GS-CA1处理的HIV病毒颗粒会组装形成畸形的衣壳核心形态，进一步定量结果则显示这不会影响宿主细胞的活性。最后他们在人源化小鼠体内进行动物试验，发现小分子在一次皮下注射六十天内血药浓度没有明显的变化，这也体现了这个药的一个特点，就是代谢稳定。另外他们分别设置了不同组的给药，分别是安慰剂给药，鸡尾酒联合给药，还有一种长效的非核苷酸逆转录酶抑制剂RPV和GS-CA1（图b），他们发现GS-CA1除了具有长效作用机制外，在十二周的试验过程与另一种变构作用机制的长效抗逆转录药物RPV相比具有更好的耐药性(图d,e)。
总结下来，GS-CA1是第一个靶向HIV衣壳蛋白的高效抑制剂，其具有全新的作用机制，且具有皮摩尔级长效抑制作用，其类似物(GS-6207)也已进入临床试验，在未来的药物开发中，通过靶向HIV的衣壳蛋白，会有更多的药物出现，使艾滋病真正成为一种慢性病。
参考文献：
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