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從Gag-Pol多肽到成熟病毒：HIV-1蛋白酶如何進行自我切割？
HIV-1蛋白酶（HIV-1 PR）是一種逆轉錄病毒的天冬氨酸蛋白酶，這種酶在HIV的生命週期中扮演著不可或缺的角色。HIV-1的繁殖過程中，這種酶負責將新合成的聚肽（如Gag和Gag-Pol）上的九個切割位點進行水解，從而生成成熟的蛋白質成分，形成病毒顆粒，這是病毒在宿主細胞外具感染性的形態。如果沒有有效的HIV-1 PR，HIV顆粒將無法變得具感染性。
成熟的HIV蛋白酶由22 kDa的同二聚體組成，每個亞單元由99個氨基酸組成，活性位點位於相同亞單元之間，並擁有典型的Asp-Thr-Gly催化三聯體序列。
要了解HIV-1 PR的功能，我們需要從其生物合成過程講起。HIV-1 PR位於Gag-Pol多肽的框架中，這個前體多肽包含了尚未成熟的編碼蛋白。為了讓這種前體轉變為功能性蛋白，必須將其單體與另一個HIV-1 PR單體結合，形成具活性的催化位點。在反轉錄過程中，HIV的RNA進入宿主細胞，伴隨著反轉錄酶、整合酶和成熟的HIV-1 PR。反轉錄酶將病毒RNA轉換為DNA，並隨後整合進宿主細胞的DNA中。
這樣的病毒DNA可以在細胞核中保持靜止，也可以轉錄成mRNA，並由宿主細胞轉譯成Gag-Pol多肽。接著，成熟的HIV-1 PR將這些多肽以自我切割的方式進行處理，這一過程被稱為自我處理。自我處理的HIV-1 PR特徵可分為兩個階段：第一階段是內切割，在p6pol-蛋白酶切割位點的N端切割，這一過程完成了PR的處理並提高了其酶活性。第二階段是C端的間接切割，發生在蛋白酶-反轉錄酶切割位點，最終形成兩個PR的成熟二聚體。
HIV-1 PR不僅僅是一個酶，它還具備自我生產的能力，從而在整個HIV的繁殖過程中扮演著雙重角色。
成熟的蛋白酶可以水解Gag-Pol多肽上九個特定位置的肽鍵，將生成的亞單位處理為成熟的、完全功能的蛋白質，這些蛋白質包括反轉錄酶、整合酶和RNaseH，對病毒的複製至關重要。
作為一種天冬氨酸蛋白酶，二聚化的HIV-1 PR通過天冬酸基團複合體進行催化。HIV-1 PR的兩個Asp25殘基中，一個已去質子化而另一個則未去質子化，這是由於其微環境的pKa差異。當底物正確結合到酶的活性位點時，去質子化的Asp25會進行鹼催化，使得進入的水分子更具親核性。這樣產生的氫氧根離子將攻擊肽鍵的羰基碳，形成一個復合中間體，隨後雙鍵的形成將導致肽鍵的斷裂。
HIV-1蛋白酶的催化過程中，核親水性水分子和親質子化的Asp25同時侵襲切割肽鍵，這一現象在非病毒天冬氨酸蛋白酶中並不普遍。
由於HIV蛋白酶在HIV繁殖中的重要性，這使得其成為抗病毒療法的主要目標。HIV蛋白酶抑制劑可以專門與活性位點結合，模仿其底物的四面體中間體，從而使酶失活。經過組裝和出芽的病毒顆粒，如果缺少活性蛋白酶將無法成熟為具感染力的病毒。目前，美國食品藥品管理局（FDA）已批准十種HIV-1 PR抑制劑，包括indinavir、saquinavir、ritonavir等，這些抑制劑的分子結構各不相同，其作用機制亦有所不同。
隨著HIV的高突變率，尤其是在催化三聯體序列所涵蓋的突變敏感區域，HIV-1 PR的活性位點能夠迅速變化。這使得在抗藥物選擇壓力下，HIV-1 PR的蛋白質仍能發揮催化活性。有研究表明，"主要"突變和"次要"突變是與提高藥物抗性相關的兩種突變類型。面對這些挑戰，結合多種藥物的治療方案成為目前的小組策略，以減少抗藥性的發展。
如此重要的HIV-1蛋白酶促使我們不禁思考：未來的研究會如何進一步攻克HIV的變異性與抗藥性問題呢？
