科學家首次在細菌中發現朊病毒

2020-12-01 科學網
科學家首次在細菌中發現朊病毒
此前只被發現存在於真核生物細胞中

攜帶了朊病毒的肉毒桿菌

圖片來源：James Cavallini/SPL

朊病毒作為一種病原體，因為能夠引發包括狂牛症在內的退行性腦病而廣為人知。如今，科學家首次在細菌中發現了這種病毒。

研究人員發現，當被插入酵母和大腸桿菌後，一種蛋白質在肉毒桿菌（能夠導致肉毒中毒的一種微生物）中的片段會表現得像一種朊病毒。研究人員在1月13日出版的美國《科學》雜誌上報告了這一研究成果。

朊病毒由許多在結構上以不同方式摺疊的蛋白質構成。通過將一種蛋白質的正常形式轉化為朊病毒，這種蛋白質的朊病毒版本能夠以傳染的方式長期存在下去。

科學家最早在上世紀80年代發現了朊病毒，它被視作潛藏在一種被稱為傳染性海綿狀腦病的致命腦部背後的病原體。從那時開始，研究人員相繼在哺乳動物、昆蟲、蠕蟲、植物和真菌中發現了錯誤摺疊的蛋白質，並且知道並非所有的朊病毒都會對宿主造成傷害。

然而迄今為止，朊蛋白只在真核生物的細胞中被發現，這類生物包括動物、植物和真菌。

在這項最新研究中，研究人員利用能夠在酵母中識別可以形成朊病毒的蛋白質的軟體分析了大約6萬個細菌基因組。他們聚焦於細菌蛋白質Rho的一個片段。

在許多細菌中——例如肉毒桿菌和大腸桿菌，Rho都是基因表達的一種全局性調節因子，這意味著它能夠控制許多基因的活性。

研究人員發現，當來自肉毒桿菌的Rho的潛在朊病毒形成片段被插入大腸桿菌後，一團錯誤摺疊的蛋白質具有了由朊病毒形成的大多數特徵。此外，這種蛋白質片段被插入酵母后，能夠取代一種已知可以形成朊病毒的酵母蛋白質的功能。

研究人員同時注意到，儘管普通版本的Rho能夠在大腸桿菌中抑制基因的活性，但是當蛋白質處於其朊病毒形式時，許多基因是活躍的。

這項研究的共同作者、美國麻薩諸塞州波士頓市哈佛醫學院細菌遺傳學家Ann Hochschild認為，這意味著朊病毒可能會讓細菌適應特定種類的環境壓力。例如，科學家發現，與攜帶了正常版本Rho的細菌相比，被Rho的朊病毒版本修改後的大腸桿菌能夠更好地適應暴露在乙醇之中。

這些發現表明，朊病毒的存在早於真核生物與細菌在距今約23億年前在進化上分離的時間。「朊病毒在自然界可能比科學家之前認為的更加普遍。」Hochschild說，「我們相信在細菌中還會發現其他能夠形成朊病毒的蛋白質。」

由於朊病毒是可以遺傳的，因此這一發現表明這些蛋白質在不需要基因突變的前提下便能夠讓細菌傳遞相關特徵。麻薩諸塞大學阿莫斯特分校細菌生物化學家Peter Chien表示，「當細菌需要對環境做出快速反應時，例如處理抗生素」，它就會派上用場。

Chien表示，研究人員下一步需要確認Rho能夠像一種朊病毒一樣在它的自然宿主中產生作用。但Chien強調，這可能會很困難，因為與傳統實驗室生物體，例如大腸桿菌相比，肉毒桿菌較難在遺傳實驗中進行處理。

紐約州伊薩卡市康奈爾大學分子生物學家Jeffrey Roberts表示，發展在細菌中進行朊病毒實驗的能力，將有助於揭示更多關於人類朊病毒的行為，這可能與包括阿爾茨海默氏症和帕金森氏症等在內的疾病有關。

朊病毒是一類能侵染動物並在宿主細胞內複製的小分子無免疫性疏水蛋白質。朊病毒與常規病毒一樣，具有可濾過性、傳染性、致病性、對宿主範圍的特異性，但它比已知的最小常規病毒小得多（30～50nm）；電鏡下觀察不到病毒粒子的結構，且不呈現免疫效應，不誘發乾擾素產生，也不受幹擾作用。朊病毒對人類最大的威脅是可以導致人類和家畜患中樞神經系統退化性病變，最終不治而亡，因此世界衛生組織將朊病毒病和愛滋病並列為危害人體健康的頑疾。（來源：中國科學報 趙熙熙）

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