Cell：新研究揭示神秘的巨病毒感染细胞机制

来源：生物谷

近年来，世界上几个最神秘的地方都有巨病毒（giant virus）被发现，从西伯利亚融化的永久冻土到南极冰层下的未知地点。

在一项新的研究中，来自美国密歇根州立大学、巴西里约热内卢联邦大学和米纳斯吉拉斯联邦大学的研究人员揭示了这些神秘而又迷人的巨病毒以及它们感染细胞的过程的关键方面。在前沿成像技术的帮助下，他们建立了一个可靠的研究巨病毒的模型，并首次确定了多种负责协调巨病毒感染的关键蛋白。相关研究结果于2020年5月8日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Structural and Proteomic Characterization of the Initiation of Giant Virus Infection”。巨病毒在尺寸上大于300纳米，可以存活数千年。相比之下，导致普通感冒的鼻病毒大约是30纳米。

图片来自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.04.032。

论文共同通讯作者、密歇根州立大学生物化学与分子生物学副教授Kristin Parent说，“巨病毒尺寸庞大，结构复杂。最近在西伯利亚发现的巨病毒，在永冻土中保存了3万年后，仍有感染能力。”

巨病毒的外壳（outer shell）---或者说衣壳（capsid）---非常坚固，能够承受恶劣的环境，保护着里面的病毒基因组。在这项新研究中分析的巨病毒物种---米米病毒（mimivirus）、南极洲病毒（Antarctica virus）、桑巴病毒（Samba virus）和新发现的Tupanvirus病毒---的衣壳都是二十二面体。

这些巨病毒物种有一种独特的机制来释放它们的病毒基因组。海星形状的封条（下称海星封条）位于巨病毒衣壳的一个顶点上。这个独特的顶点被称为“星门（stargate）”。在感染过程中，海星封条和“星门”打开，从而释放病毒基因组。

在研究过程中，需要解决几个障碍。Parent说，“巨病毒由于其尺寸庞大，很难成像观察。”

为了解决这个问题，Parent实验室的研究生Jason Schrad开发了一种模拟感染阶段的新方法。利用密歇根州立大学的新型低温电镜（cryo-EM）和扫描电子显微镜，Parent团队让各种巨病毒物种接受了一系列苛刻的化学和环境处理，旨在模拟巨病毒在感染过程中可能经历的条件。Parent说，“cryo-EM使得我们能够在原子水平上研究病毒和蛋白结构，并捕捉到它们的作用过程。使用这项技术非常重要，密歇根州立大学的新型显微镜为校园内的研究打开了新的大门。”

这些研究结果显示，有三种环境条件成功诱导了星门的打开：低pH值、高温和高盐。更重要的是，每个条件都诱导了不同的感染阶段。

利用这些新数据，Parent团队设计了一种有效、可靠地模拟感染阶段的模型，以便开展研究。Parent说，“这种新的模型如今让科学家们能够可靠地、高频率地模拟感染阶段，这为未来的研究打开了大门，并极大地简化了任何针对巨病毒的研究。”

这些研究结果产生了几个新的发现。Parent说，“我们发现，星门入口上方的海星封条在保持与衣壳连接的同时缓慢地打开，而不是简单地一下子打开。我们对一种新型巨病毒基因组释放策略的描述标志着我们对病毒学理解的另一个观念变革。”

由于能够持续地重现巨病毒感染的不同阶段，这些研究人员研究了巨病毒在第一阶段释放的蛋白。这些蛋白协调着病毒感染和劫持宿主细胞以进行自我复制所需的许多生物学过程。

Parent说，“这些研究结果有助于为许多具有先前未知功能的蛋白分配推测或假定的角色，从而突出了这种新模型的力量。我们鉴定出在巨细胞感染的初始阶段释放的关键蛋白，它们负责帮助介导这一过程并完成病毒接管。”

Parent说，“其中许多蛋白的确切功能以及它们如何协调巨病毒感染是未来研究的主要对象。我们确定的许多蛋白与人们预计在病毒感染的初始阶段释放的蛋白相匹配。这极大地支持了我们的假设，即在这项研究中产生的体外阶段反映了那些发生在体内的阶段。”

这项新研究探究的许多不同类型的巨病毒在体外表现出相似的反应，这使得这些研究人员相信它们都有共同的特征，而且很可能具有相似的蛋白。

与冠状病毒不同，巨病毒是否能够感染人类是病毒学家们不断在讨论的一个话题。

参考资料：
1.Jason R. Schrad et al. Structural and Proteomic Characterization of the Initiation of Giant Virus Infection. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.04.032.
2.New study shines light on mysterious giant viruses
https://phys.org/news/2020-05-mysterious-giant-viruses.html