HIV-1侵染细胞的分子机器为位于病毒颗粒表面的由三个gp120和三个gp41糖蛋白质通过非共价相互作用构成的包膜三聚体,其中,gp120负责与细胞表面受体CD4以及辅助受体CCR5/CXCR4的结合,而gp41则负责对靶细胞膜的插入以及病毒膜和细胞膜间的膜融合。大量的结构生物学和生物化学研究表明,gp120的构象变化及由此导致的构象多样性在HIV-1侵染细胞以及逃避宿主免疫监控等方面起着关键作用。传统的拓扑分类将gp120结构分为两个域:内部域和外部域,其中内部域与三聚体内侧的gp41发生接触,而外部域则直接暴露于三聚体表面。更精细的拓扑分类方式则将内部域分成4部分,即一个结构上稳定的β-sandwich锚定区以及从锚定区上延伸出的三个拓扑层区（layers 1-3）。有研究认为,三个拓扑层区相对于锚定区在空间位置上的变化,以及三个拓扑层之间在空间位置或取向（orientation）上的改变,很可能是决定gp120构象变化能力和构象多样性的关键。但是,三个拓扑层在构象柔性和空间重取向（reorentation,即结构单元作为整体在三维空间上发生移位）能力上究竟存在多大差异?何种因素造成了这些差异?哪个拓扑层对gp120构象多样性的贡献最为显著?这些问题尚不清楚。为了回答上述问题,本文以gp120-CD4复合物和CD4-free gp120（即移除了CD4的gp120）结构模型作为研究对象,使用拉伸分子动力学（steered molecular dynamics;SMD）模拟技术,分别对layer 1-3进行了拉伸模拟并恢复了拉伸过程的自由能谱;此外,我们还计算了拉伸过程中拓扑层残基与gp120结构主体间的相互作用能量以及拓扑层与CD4间的相互作用能量;为了评估各层拉伸后gp120不同结构组分（或区域）的结构稳定性,我们还对各层拉伸后的结构进行了常规分子动力学模拟。通过比较拉伸三个拓扑层所产生的自由能谱（或自由能曲线）,我们发现,无论是在gp120-CD4复合物还是在CD-free gp120上进行层拉伸模拟,迫使不同拓扑层质量中心相对于参照组（或gp120结构主体）质量中心增加同样的距离所克服（或消耗）的自由能排序为:layer 3>layer 2>layer 1,这表明,layer 3发生位移（或空间重取向）的难度大于layer 2,而layer 1的空间重取向能力最强。此外,我们在拉伸layers 1和2的自由能谱上分别观察到大量和少量的局部自由能最小化区域,但是在拉伸layer 3的自由能谱上则几乎观察不到局部自由能最小化区域,表明layer 1具有最为丰富的构象多样性,其次是layer 2,而layer 3的构象多样性最为贫瘠。通过比较CD4存在和不存在时拉伸同一拓扑层的自由能谱,我们发现,CD4的存在在降低拉伸layer 1所需克服自由能的同时,还增加了layer 1自然可及构象子状态（即自由能<5 kcal/mol的局部自由能最小化区域）的数量;相反,CD4的存在增加了拉伸layers 2和3所需克服的自由能,同时,在对应的自由能谱上观察不到自由能低于5 kcal/mol的局部最小化区域,这表明,CD4对gp120的结合增强了layer 1的变构和空间重取向能力并增加了其构象多样性,但是却则削弱了layers 2和3的变构和空间重取向能力。通过观察拉伸分子动力学模拟轨迹以及对层拉伸后结构的常规分子动力学模拟,我们发现,layers 1和2,尤其是layer 1,可作为独立的结构单位发生构象变化和空间重取向而仅对其余结构组分的构象带来有限影响,但是对layer 3的拉伸并不会导致其自身构象发生大的变化,相反却因导致内部域与外部域的分离而破坏了gp120的整体构象。对layer 2拉伸效果主要体现在β2-β3的构象变化及其空间取向上:CD4存在时,拉伸layer 2会导致β2-β3发夹背离β20-β21发夹而破坏桥片层结构,但是β2-β3发夹的结构完整性却得以保留;CD4不存在时,对layer 2的拉伸会导致β2-β3发夹远离结构主体并转换为无规则环区,表明CD4的结合通过限制layer 2的空间位移而稳定了桥片层结构。此外,我们还注意到,CD4的空间位阻效应不仅能够限制layer 2和layer 3的构象自由度,同时还能限制各层拉伸后构象向拉伸前构象的转换。通过计算拉伸分子动力学模拟过程中各层残基与结构主体间的相互作用能量,发现layer 1上的Trp69、His66、Val65,layer 2上的Leu122、Val120、Pro118和Cys119,以及layer 3上的Ser256等残基对维持各层与结构主体间的连接稳定性做出了重要贡献。此外,通过计算拉伸模拟中各拓扑层与CD4间的相互作用能量,发现CD4与layer 1间的相互作用强度几乎为0,但是与layers 2和3之间却存在高强度相互作用,这表明,除空间阻碍效应外,CD4还能通过与layers 2和3的有利相互作用限制它们的构象自由度。CD4存在时,layer 1空间重取向能力的增强很可能是因为CD4通过空间位阻效应或与其结合空腔的相互作用改变了gp120的动力学和热力学行为所致。综上,在gp120的三个拓扑层中,layer 1具有最强的构象变化和空间重取向能力,layer 2次之,而layer 3自身几乎不具备空间重取向能力;因此,我们认为gp120的构象变化和构象多样性主要源自于layer 1和layer 2的强变构和空间重取向能力。各拓扑层中不同残基与结构主体在相互作用强度上的差异,不同拓扑层与CD4在相互作用强度上的差异,以及CD4对不同拓扑层在空间位阻上的差异等,都会调节、影响各拓扑层的构象自由度和空间重取向能力,并最终促成了侵染相关的构象变化以及免疫逃避所需的构象多样性。本文的研究结果还提示,筛选或设计出能够限制layer 1构象变化或阻止layer 2空间重取向（进而阻止桥片层形成）的化合物,这或许是抗HIV-1药物开发的有效途径之一。