科学家阐明了对病毒复制至关重要的结构

在与侵入日常生活的病毒作斗争中,观察和理解战场至关重要。莫格里奇研究所的科学家们首次对分子结构进行了成像,这些结构对于一大类病毒如何在受感染的细胞内复制至关重要。

科学家阐明了对病毒复制至关重要的结构

“挑战有点像是一名汽车修理工,无法看到引擎或它是如何详细组合在一起的,”Morgridge研究所病毒学主任,大学肿瘤学和分子病毒学教授Paul Ahlquist说。威斯康星 - 麦迪逊。“这项工作是我们对引擎的第一次看法。”

该研究于6月27日发表在eLife杂志上,采用开创性的低温电子断层扫描技术,以生动的细节揭示复杂的病毒复制过程,开辟了可能破坏,拆除或重定向病毒机制的新途径。

Ahlquist实验室的几个目标之一是了解正链RNA病毒的基因组复制,正链RNA病毒是包括许多人类病原体的最大遗传类病毒,如寨卡病毒,登革热病毒,非典型肺炎病毒和基孔肯雅病毒。该小组以战略方式研究过程,不仅关注单个重要病毒的细节,而且关注适用于整个班级的大型原则。

为什么要关注基因组复制?

“大多数病毒基因组,通常约为75%,被用于基因组复制,”Ahlquist说。“病毒告诉我们 - 用最宝贵的资源投票,它的编码能力 - 这是感染的重要工作。”

该过程恰好发生在受感染细胞的膜上。病毒使复制区 - 基本上是新的细胞器 - 在其中发生基因组复制过程。在Ahlquist实验室中用作模型的诺达病毒在线粒体膜上进行该过程。

未感染的线粒体在其外部具有两个膜。在感染病毒的线粒体中,这些膜之间的空间被扩展并填充有小球,圆形小泡约50纳米。

Desiree Benefield是Morgridge研究所Ahlquist实验室的博士后研究员,他说所有正链RNA病毒都依赖宿主膜重排和复制区的形成来复制它们的基因组。这成为广谱抗病毒药物的有吸引力的目标,这些药物对多种病毒都有效。

“通过这些令人兴奋的新结构信息,我们可以更多地了解隔室的形成和功能,”Benefield说。“这些信息将有助于我们理解病毒复制,并提供有关如何控制它的见解。”

复制区室或小球包含RNA链,即病毒的遗传密码。正是在这些小球中发生了RNA合成。然后将产物RNA从小球中排出并用于制造更多蛋白质,或者将其包装成新的感染性颗粒以制造下一代病毒。

Benefield表示,冷冻电子断层扫描(cryo-ET)的新用途使科学家能够以前所未有的细节看到复制室。

“我们能够看到以前只能从生化和遗传实验中推断出的结构元素,以及引人注目的新功能,这些都是前所未有的。”

传统的电子显微镜有其局限性,需要对样品进行一系列苛刻的步骤:化学固定,重金属染色和嵌入塑料中。使用高反应性和危险的化学品,过程缓慢,样品固定,因此成像,处于不自然的状态。

冷冻ET的样品制备更简单,产生更好的结果。将样品在纳秒内快速冷冻成液体乙烷,用液氮冷却。因为它被快速冷冻,所以样品被困在一个更天然的状态。水分子也没有时间组织和结晶,因此冰是玻璃质的,玻璃状的。

虽然冷冻ET的冷冻部分改善了样品制备,但断层扫描组件通过创建3D可视化使成像更进一步。

使用传统的电子显微镜,复制室看起来很细长,几乎是足球形的。固定技术缩小了小球,它们的内容萎缩了。Cryo-ET显示了现实 - 结构非常圆,意味着它们像气球一样处于压力之下,并且充满了像纱球一样包裹的RNA链。小球的大小根据被复制的RNA的长度而变化。

“我首先对这些结构的美丽和优雅感到震惊,”Benefield说。“我对这种病毒在复制RNA方面的效率以及它如何完全吸收宿主细胞线粒体以最终产生更多病毒感到惊讶。这是一种真正令人羞愧的工作中病原体幕后的瞥见。”

小球沿着线粒体膜有一个颈部,通向细胞质。在这里复制RNA的成分进入,产品问世。一个令人惊讶的发现是存在一个位于颈部顶部的冠状结构。

该结构是一个高度组织,高度对称的杯子,外面有12个牙齿。这是一个结构特征,可能将所有东西放在一起。如果囊泡是在压力下的圆形气球,则冠状物就像绑在气球的颈部上一样。

新的结果进一步表明,冠包含读取和复制RNA链的病毒蛋白,并且可能代表基因组复制复合物的主要引擎。要完善这些冠的形状和功能还有很多工作要做,但揭示它们的存在并对其结构和对称性进行成像是朝着正确方向迈出的重要一步。

“如果我们想要操纵和控制这些复合体,我们必须了解它们的详细操作”,Ahlquist说。“如果你不知道它看起来是什么以及它是如何组合在一起的话,你就无法理解它是如何发挥作用的。”

Ahlquist说,正RNA链病毒只是六种不同类别病毒中的一种。越来越明显的是,复制隔室的形成,甚至可能是与冠相关的结构,可能由多个类共享。

“虽然这些类别被视为非常不同,但在基因组复制方面,六类中有三类存在相似之处,”Ahlquist说。“这具有进化意义,使我们能够整合来自不同系统的结果,以达到意想不到的新见解。”