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顛覆認知!首次發現自我拆分重組病毒

日期:2019-05-28 來源:DeepTech深科技 作者:王新凱 瀏覽量:
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細胞是生物體基本的結構和功能單位,但病毒只有蛋白質外殼包裹著緊湊的核酸物質(DNA或RNA),并不具備完整的細胞結構。所以對于病毒而言,想要存活就必須寄生在宿主細胞中,并且借助宿主細胞的核苷酸和氨基酸來合成自身的一些組件,完成自己的基因組復制、蛋白質外殼制造,以及組裝完整的新病毒。

在這個過程中,人們理所當然地認為,完整的病毒基因組只能同時感染一個宿主細胞,并在其中完成新病毒的復制、組裝和釋放。然而,最近eLife上發表的一項新研究顛覆了這一傳統認知。

正如來自法國蒙彼利埃大學研究人員發現的那樣,一些病毒不僅可以分成多個部分,分別感染宿主細胞,而且這些基因組分裂的病毒可以像拆散的拼圖一樣,分散在多個宿主細胞中蓬勃生存,然后這些在不同細胞中復制的病毒粒子,自我組裝成新的完整病毒并繼續感染。


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圖 | 法國國家農業研究所的植物病理學家Anne Sicard(左)及其同事(右)


本次新研究的作者、法國蒙彼利埃大學和法國國家農業研究所(INRA)植物病理學家Anne Sicard表示,病毒學中的經典觀點認為病毒復制周期發生在單個細胞內,但對于她和她的團隊研究的多分區病毒(multipartite virus)來說,似乎并非如此,這些病毒的多個粒子獨立感染細胞,并在植物宿主細胞中獨立地復制。


分開感染的病毒基因組


多分區病毒已有半個多世紀的歷史,當時的研究人員意識到病毒可以由兩個或兩個以上獨立的部分組成,而且每一個獨立的部分對于病毒感染都至關重要。例如,多分區病毒其中的一部分可能是制造關鍵酶所必需的,而另一部分則是制造包裝并轉運病毒粒子的外殼所必需的。

但是,病毒為什么要把它的基因組分開呢?畢竟,將每一部分都很重要的基因組分成不同的部分,存在著相當大的風險,比如基因組的某些部分很容易丟失或組裝時落下,如果整個基因組的一部分丟失,那么剩下的基因組也基本就完蛋了。

科學家們在發現多分區病毒后也感到十分疑惑,“為什么病毒會這樣做呢?為什么要分開基因組?將這些片段單獨包裝有什么好處?” 荷蘭生態學研究所的進化病毒學家Mark P. Zwart表示。

為了探索這些問題,研究人員曾開發模型來預測這種多分區的方式,將在什么情況下從一個更典型的病毒祖先進化而來,所有這些理論都建立在假設所有的病毒片段必須同時感染一個細胞的基礎上。

但結果很令人困惑。2012年的一項研究得出結論,無論病毒基因組多分區的好處是什么,缺點都是如此之大,以至于不可能存在超過四個分段的病毒。然而,已知一些多分區病毒,如蠶豆壞死萎蔫病毒(FBNSV)有多達八個基因組片段,每個片段都由不同的病毒粒子所攜帶。從理論上講,它不可能進化得來,但又如何解釋它的存在?

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圖 | FBNSV導致的植物癥狀(Journal of Virology )

在這項最新研究中,INRA的植物病毒學家認為,人們對于病毒學的一些理論假設肯定在哪里搞錯了。因此,研究人員決定對其中的關鍵假設——即所有病毒的基因組必須同時進入同一個細胞才會發生感染——進行驗證。以前之所以沒有人提出質疑,是因為所有人都理所當然地認為這些多分區病毒的基因組片段必須在一起。

當研究人員仔細觀察FBNSV感染過程時,果然發現了其中的“異常”。通過使用不同顏色的熒光探針同時標記兩個病毒粒子,研究小組發現在他們檢測的絕大多數單個寄主植物細胞中,病毒基因組片段是缺失的。此外,研究人員還發現病毒復制所需的蛋白質存在于沒有基因組編碼片段的細胞中。

由此,研究人員推斷,病毒粒子必須在細胞之間共享基因產物——信使RNA或蛋白質,以便每個粒子都可以獨立復制,并將自身包裝成粒子以進行傳播和再次感染。

但在植物宿主細胞中,病毒所必需的基因產物是如何共享的,研究人員目前還不完全清楚。

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圖 | 存在于不同細胞的病毒基因組片段(來源:eLife)

這個新發現,解釋了多分區病毒如何在植物體內維持感染,并揭示了一個關于病毒如何傳播的新秘密。例如,FBNSV寄宿于吃蠶豆植物的蚜蟲來傳播自己,這些小昆蟲必須一次性捕獲FBNSV的所有八個病毒粒子,并將它們引入同一植物才能成功傳遞感染,但是據推測,大部分感染過程都沒有成功,因為蚜蟲只捕獲了八個病毒粒子中的一部分。

這也就部分解釋了宿主內部的問題,因為病毒粒子不必一起到達所有細胞,但在宿主之間傳播仍然存在難以解釋的問題。

病毒學新認知


為什么病毒會從多分區的感染方式中受益,仍然值得探究。

研究人員提出一個想法,認為基因組的劃分允許每個片段在不同頻率上發生變化,這是一種應急的調節基因表達的方式,因為一個特定基因的活性水平可能取決于它在細胞中的復制數量。每次病毒感染一個新的宿主,片段的頻率就會發生變化,這可以讓病毒測試在新的細胞環境中基因表達的最佳程度。

美國坦帕大學的病毒學家Eric Freundt推測,如果宿主植物的先天防御僅破壞那些表達某些病毒蛋白的細胞,那么將病毒蛋白質的基因分布到不同的粒子中,可能會保證病毒在某些細胞中不被發現。Freundt認為,另一種可能性是,如果病毒一次性產生所有蛋白質,可能會導致宿主細胞超負荷工作,并“累死”細胞。通過將其基因組分布在許多植物細胞中,病毒可以避免壓垮任何單個寄生的細胞。

果真如此,這些病毒似乎本能地避免把雞蛋放在一個籃子里。

不過,研究人員仍指出,以上這些只是假設,多分區病毒的演變原因仍然很神秘。

Zwart指出,關于多分區優勢的大多數想法都是關于基因組分割,而不是將病毒劃分為不同的感染單位。將基因組分成區段,允許病毒更容易地重組其基因的各種有利形式。

亞利桑那州立大學的病毒學家Arvind Varsani對此表示贊同,“從模塊化的角度來看,你可以看到多分區病毒的優勢,每個模塊都可以獨立,病毒可以更快地獲得每個模塊,并通過混合和匹配來適應新環境。”

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(來源:Quanta Magazine)

這種假設的最有力證明就體現在流感病毒中,流感病毒簡直是病毒重組大師。流感病毒基因組也有八個片段,盡管這些片段在一個病毒外殼中包裝在一起,這使它既能夠獲得多分區的好處,又不用承受多分區的全部代價。

而且流感病毒可能比第一眼看上去更像FBNSV病毒。伊利諾伊大學香檳分校的病毒學家 Christopher Brooke發現,根據病毒株的不同,只有一小部分(1%-10%)流感病毒粒子含有全部八個基因組片段的功能性拷貝。

“絕大多數流感病毒粒子都是不完整的,或者稱之為半傳染性粒子,即它們本身無法自行啟動有效復制,”他解釋道,“這是一個驚喜,因為它表明這種超級成功且具有高度傳染性的病毒,主要存在于這些不能自行復制的粒子中。”

Brooke還預測,探究病毒如何作為群體而不是單個病毒粒子運作,最終將成為許多不同病毒系統的關鍵。

這種重要性就體現在概念上,目前將任何單個病毒粒子內的DNA視為其基因組的定義,可能過于局限。相反,把病毒基因組想象成整個病毒種群的一組基因可能更恰當。而理論家們已經在深入研究其中的影響。

Zwart也預計,很快就會出現新的理論模型來探索這些見解,例如使用多層次的自然選擇方式來描述這些病毒的進化。在一個單獨的宿主植物中,自然選擇的局部力量將使病毒成功地平衡其片段的產率。但是當病毒轉移到新宿主植物時,它必須要能夠適應新的宿主環境,因此需要保留一些適應性。這個時候,更高層次的自然選擇可能會調節局部并更均勻地重新平衡分區的比例。

Zwart說,“這一動態過程如此多樣,真的很吸引人。”

參考:


https://www.quantamagazine.org/viruses-can-scatter-their-genes-among-cells-and-reassemble-20190521/?mc_cid=8328cddf23&mc_eid=db0a44df14
https://elifesciences.org/articles/43599

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